- •Физика теория
- •1. Предмет и роль физики в системе естественных наук. Физические основы механики. Физические величины и их измерение. Единицы измерения физических величин. Система единиц си.
- •2. Механика. Механическое движение. Система отсчета. Понятие материальной точки. Кинематическое уравнение материальной точки. Траектория, перемещение, путь.
- •3. Скорость и ускорение. Кинематика движения по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Связь между линейными и угловыми кинематическими характеристиками
- •4. Первый и второй законы Ньютона. Масса как мера инертности. Третий закон Ньютона. Второй закон динамики для системы материальных точек. Сила. Импульс. Закон сохранения импульса.
- •5. Силы тяготения. Закон всемирного тяготения. Силы упругости. Абсолютная и относительная деформация. Закон Гука. Модуль Юнга. Силы трения.
- •6. Работа силы. Мощность. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия тяготения, деформации. Закон сохранения энергии.
- •7. Поступательное и вращательное движение твердого тела. Кинетическая энергия вращения. Момент инерции. Момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса твердого тела.
- •8. Давление. Законы Паскаля и Архимеда. Движение идеальной жидкости. Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли.
- •9. Движение вязкой жидкости. Коэффициент вязкости. Методы определения коэффициента вязкости. Центрифугирование. Ламинарное и турбулентное течения.
- •10. Уравнение гармонических колебаний. Амплитуда, период, частота, фаза колебаний. Энергия гармонических колебаний.
- •11. Колебания в поле упругих сил. Маятники. Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания.
- •12. Продольные и поперечные волны. Скорость распространения и длина волны. Фазовая и групповая скорости волны. Уравнение бегущей волны.
- •13. Звуковые волны. Ультразвук и инфразвук. Действие ультразвука и инфразвука на биологические системы.
- •14. Предмет молекулярной физики. Размеры и масса атомов и молекул. Агрегатные состояния вещества.
- •15. Мкт. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Статистический и термодинамический методы в физике. Распределения Больцмана и Максвелла. Скорости молекул.
- •17. Среднее число столкновений. Средняя длина свободного пробега. Явления переноса. Диффузия. Вязкость. Теплопроводность. Связь между коэффициентами диффузии, вязкости и теплопроводности.
- •18. Распределение энергии по степеням свободы. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Теплота и работа.
- •19. Теплоемкость газов. Работа и теплоемкость газов в различных изопроцессах.
- •20. Обратимые и необратимые процессы. Циклические процессы. Цикл Карно.
- •21. Второе начало термодинамики. Энтропия и ее свойства.
- •22. Жидкости. Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярные явления.
- •23. Реальные газы. Силы молекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа. Критическое состояние.
- •24. Твердые тела. Кристаллическое строение твердых тел. Элементы симметрии кристаллов. Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга-Пти. Жидкие кристаллы и их свойства.
- •25. Заряд и его свойства. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.
- •26. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции электростатических полей. Линии вектора напряженности. Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса.
- •27. Потенциал. Разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля. Работа при перемещении заряда в электростатическом поле.
- •28. Распределение зарядов на поверхности проводника. Электростатическая защита. Емкость уединенного проводника. Конденсаторы. Система конденсаторов.
- •29. Диэлектрики. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектрика. Поляризованность. Диэлектрическая проницаемость.
- •30. Электрический диполь во внешнем электростатическом поле. Вектор электрического смещения. Сегнетоэлектрики. Энергия электростатического поля.
- •31. Сила и плотность тока. Электродвижущая сила. Законы постоянного тока.
- •32. Сопротивление проводников. Работа и мощность постоянного тока. Тепловое действие тока.
- •33. Классическая теория электропроводности металлов. Электронная и дырочная проводимость полупроводников. Собственная и примесная проводимости. Зависимость проводимости полупроводников от температуры.
- •34. Электрический ток в газах и водных растворах.
- •35. Магнитное взаимодействие токов в вакууме. Закон Ампера. Индукция магнитного поля. Закон Био-Саварро-Лапласа. Суперпозиция магнитных полей.
- •36. Магнитный поток. Намагничение магнетика. Магнитный момент. Вектор намагниченности. Магнитная проницаемость. Классификация магнетиков. Ферромагнетизм. Магнитный гистерезис. Температура Кюри.
- •37. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
- •38. Переменный электрический ток. Закон Ома для цепей переменного тока. Мощность переменного тока.
- •39. Электромагнитные колебания и волны.
- •40. Геометрическая оптика. Электромагнитная природа света. Поглощение и дисперсия света.
- •41. Интерференция света.
- •42. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка.
- •43. Поляризация света. Поляризованный и естественный свет. Законы Малюса и Брюстера. Двойное лучепреломление. Вращение плоскости поляризации. Оптическая активность вещества.
- •44. Квантовые свойства света. Тепловое и равновесное излучения. Закон Кирхгофа. Абсолютно черное тело. Закон Стефана-Больцмана. Формула Планка.
- •45. Люминесценция и ее виды. Правила Стокса. Биолюминесценция. Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта.
- •46. Теория атома водорода. Открытие электрона. Модели атома Томсона и Резерфорда. Постулаты Бора при квантовых переходах.
- •47. Рентгеновское излучение и его свойства.
- •48. Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада.
21. Второе начало термодинамики. Энтропия и ее свойства.
Ответ. Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что КПД не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики: Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса). Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона). Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии). Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано. Энтропия — мера неопределенности случайного состояния некоторой системы. Энтропией называется термодинамическая функция, полный дифференциал которой , где – тепло, подведенное к газу в обратимом процессе. Размерность энтропии Дж/(кг∙К). Для кругового обратимого процесса или . Изменение энтропии в любом обратимом процессе перехода вещества из состояния 1 в состояние 2 не зависит от пути этого процесса, а зависит только от параметров вещества в его начальном и конечном состояниях.
ким образом, энтропия является функцией состояния вещества, а её величина однозначно определяется параметрами его состояния в начале и конце процесса. Энтропия термодинамической системы, состоящей из нескольких частей (энтропии которых равны S1, S2,..., Sn), равна сумме энтропий всех её частей. Энтропия отдельного тела или системы тел в различных обратимых процессах может как возрастать, так и уменьшаться. Действительно, из определения энтропии следует, что . В необратимых процессах изменение энтропии всегда больше интегральной суммы приведенных теплот данного процесса. Энтропия изолированной системы или . Если в изолированной системе протекают необратимые процессы, то энтропия изолированной системы будет возрастать.
22. Жидкости. Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярные явления.
Ответ. Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Например, для изменения объема воды на 1 % нужно увеличить давление приблизительно в 200 раз. Такое увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине около 2 км. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. Поверхностные молекулы силами межмолекулярного притяжения втягиваются внутрь жидкости. Но все молекулы, в том числе и молекулы пограничного слоя, должны находиться в состоянии равновесия. Это равновесие достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. Если среднее расстояние между молекулами внутри жидкости равно r0, то молекулы поверхностного слоя упакованы несколько более плотно, а поэтому они обладают дополнительным запасом потенциальной энергии по сравнению с внутренними молекулами. Вследствие крайне низкой сжимаемости наличие более плотно упакованного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности: ΔAвнеш = σΔS. Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2). Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Eр поверхности жидкости пропорциональна ее площади: Eр = Aвнеш = σS. Равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии, свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. На границе соприкосновения твёрдых тел, жидкостей и газов наблюдаются явления смачивания или несмачивания, которые являются результатом взаимодействия между молекулами жидкости, твёрдого тела и газа. Они приводят к искривлению поверхности жидкости около поверхности твёрдого тела на границе с газом. При контакте жидкости с твёрдым телом возможны случаи, когда жидкость смачивает (частично или полностью) или не смачивает (частично или полностью) его. Так, ртуть хорошо смачивает чистые поверхности металлов и не смачивает чистое стекло. Вода хорошо смачивает чистое стекло и не смачивает жирные поверхности. Свободная поверхность жидкости на границе с твёрдым телом искривляется, образуя мениск. Если жидкость смачивает поверхность тела, образуется вогнутый мениск, если не смачивает — выпуклый мениск. На границе соприкосновения трёх сред — твёрдой, жидкой и газообразной — жидкость принимает такую форму, при которой сумма потенциальной энергии жидкости в гравитационном поле Земли и поверхностной энергии всех тел минимальна (твёрдые тела также обладают поверхностной энергией). Поверхностное натяжение на границе твёрдого тела и жидкости обозначают σтж, на границе твёрдого тела и газа — σтг, на границе жидкости и газа — σжг. Если σтг ≥ σтж + σжг, то жидкость полностью смачивает поверхность твёрдого тела, покрывая его тонкой плёнкой. Если σтж ≥ σтг + σжг, то жидкость полностью не смачивает поверхность твёрдого тела, стягиваясь в каплю, несколько сплюснутую действием силы тяжести и силы реакции опоры. В большинстве случаев имеет место частичное смачивание или частичное несмачивание. Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае . При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.