из электронной библиотеки / 264554655877873.pdf

40

3. Механическая картина мира: принципы и основные положения.

Список рекомендуемой литературы:

1.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

2.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

3.Игнатова, В.А. Естествознание: учебное пособие для студ. гуманитарных фак. вузов / В.А. Игнатова. – М.: Академкнига, 2002. – 256 с.

4.Мякишев, Г.Я. Физика: учеб. для 10 классов, общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – 11-е изд. – М.: Просвещение, 2003. – 336 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1.Механика – наука об общих законах движения тел. Механическим движением называется перемещение тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.

Законы механики были сформулированы великим английским ученым И.Ньютоном. Было выяснено, что законы Ньютона, как любые другие законы природы, не являются абсолютно точными. Они хорошо описывают движение больших тел, если их скорость мала по сравнению со скоростью света. Механика, основанная на законах Ньютона, называется классической механикой.

Механика включает в себя: статику, кинематику, динамику.

Динамикой называют раздел механики, в котором изучают различные виды механических движений с учетом взаимодействия тел между собой. Основы динамики составляют три закона Ньютона, являющиеся результатом обобщения наблюдений и опытов в области механических явлений, которые были известны еще до Ньютона и осуществлены самим Ньютоном.

К выводу о существовании явления инерции впервые пришел Галилей, а затем Ньютон. Этот вывод формулируется в виде первого закона Ньютона (закона инерции): существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на нее внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными. Следовательно, инерциальными являются такие системы отсчета, относительно которых материальная точка при отсутствии на нее внешних воздействий или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Изменение скорости тела, т. е. появление ускорения, всегда происходит под действием на данное тело окружающих его тел. Для характеристики этих действий введено понятие силы.

41

Силой называют векторную величину, характеризующую такое действие на данное тело других тел, которое может вызвать ускорение и деформацию тела. С этим понятием связан второй закон Ньютона, который формулируют так: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, сообщаемое этому телу силой.

Во всех случаях, когда какое-либо тело действует на другое, имеет место не одностороннее действие, а взаимодействие тел. Силы такого взаимодействия между телами имеют одинаковую природу, появляются и исчезают одновременно. При взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные по одной прямой в противоположные стороны.

Третий закон Ньютона звучит следующим образом: тела взаимодействуют друг с другом силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

2. Деформацией называют изменение формы, размеров или объема тела. Деформация может быть вызвана действием на тело приложенных к нему внешних сил. Деформации, полностью исчезающие после прекращения действия на тело внешних сил, называют упругими, а деформации, сохраняющиеся и после того, как внешние силы перестали действовать на тело, - пластическими. Различают деформации растяжения или сжатия (одностороннего или всестороннего), изгиба, кручения и сдвига.

При деформациях твердого тела его частицы (атомы, молекулы, ионы), находящиеся в узлах кристаллической решетки, смещаются из своих положений равновесия. Этому смещению противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому при любом виде упругой деформации в теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации.

Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации. В случае одностороннего растяжения или сжатия сила упругости направлена вдоль прямой, по которой действует внешняя сила, вызывающая деформацию тела, противоположно направлению этой силы и перпендикулярно поверхности тела. Природа упругих сил электрическая.

Связь между силой упругости и упругой деформацией тела (при малых деформациях) была экспериментально установлена современником Ньютона английским физиком Гуком. Закон Гука для одностороннего растяжения (сжатия) формулируют так: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению этого тела.

При соприкосновении движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения.

42

Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

Вжизни человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.

В1687 г. Ньютон установил один из фундаментальных законов механики, получивший название закона всемирного тяготения: любые две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эту силу называют силой тяготения (или гравитационной силой).

3. Механическая картина мира (МКМ) складывалась под влиянием материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основополагающими идеями этой картины мира являются классических атомизм, восходящий к Демокриту и т.н. механицизм. Само становление механистической картины справедливо связывают с именем Галилео Галилея, впервые применившего для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и последующей математической обработкой результатов. Этот метод принципиально отличался от ранее существовавшего натурфилософского способа, при котором для объяснения явлений природы придумывались априорные, т.е. не связанные с опытом и наблюдением, умозрительные схемы, для объяснения непонятных явлений вводились дополнительные сущности, например мифическая «жидкость» теплород, определявшая нагретость тела или флогистон – субстанция, обеспечивающая горючесть вещества. Законы движения планет, открытые Иоганном Кеплером, в свою очередь, свидетельствовало о том, что между движениями земных и небесных тел не существует принципиальной разницы (как полагал Аристотель), поскольку все они подчиняются определенным естественным законам. Однако ядром МКМ является механика Ньютона (классическая механика).

Важнейшими принципами МКМ являются:

43

принцип относительности, утверждающий, что все инерциальные системы отсчета с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны), следовательно, все механические явления в инерциальных системах отсчета протекают одинаково, поэтому никакими механическими опытами нельзя отличить покой от равномерного прямолинейного движения;

принцип дальнодействия: взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает;

принцип причинности: все многообразие явлений природы сводится к механической форме движения материи (механистический материализм, механицизм); беспричинных явлений нет, всегда можно (принципиально) выделить причину и следствие, которые взаимосвязаны между собой, влияют друг на друга. Следствие одной причины может стать причиной другого следствия

Тема 2.2. Молекулярная физика

План:

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

2.Размеры молекул. Количество вещества

3.Агрегатные состояния вещества

Список рекомендуемой литературы:

1.Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учебное

пособие / А.А. Горелов. – М.: Центр, 2003. – 208 с.

2.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

3.Игнатова, В.А. Естествознание: учебное пособие для студ. гуманитарных фак. вузов / В.А. Игнатова. – М.: Академкнига, 2002. – 256 с.

4.Мякишев, Г.Я. Физика: учеб. для 10 классов, общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – 11-е изд. – М.: Просвещение, 2003. – 336 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1. Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела.

Еще философы древности догадывались о том, что теплота – это вид внутреннего движения. Но только в 18 веке начала развиваться последовательная молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Большой вклад в ее развитие сделали М.В. Ломоносов, Р. Броун, Р. Поль

44

Цель МКТ – объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, происходящих в них, на основе преставления о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц.

В основе МКТ лежат 3 утверждения:

1.Любое вещество состоит из мельчайших частиц – молекул и атомов. Они расположены в пространстве дискретно, т.е. на некоторых расстояниях друг от друга. Подтверждение – явление диффузии – перемешивание газов, жидкостей и твердых тел при их непосредственном контакте.

2.Атомы и молекулы вещества находятся в состоянии беспорядочного движения (такое движение называют тепловым), которое никогда не прекращается. Подтверждение – явление диффузии, броуновское движение

3.Атомы и молекулы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояния между частицами: при увеличении расстояния начинают преобладать силы притяжения, при уменьшении – силы отталкивания (благодаря действию электрических сил). Подтверждение – сила упругости

Эти положения являются обобщением многочисленных наблюдений и экспериментальных фактов.

2.Массы и размеры частиц невообразимо малы по нашим обычным меркам. Например, масса атома водорода порядка 10-24 г, размер атома порядка 10-8 см. Из-за столь малых значений масс и размеров число частиц в макроскопическом теле огромно.

Оперировать столь грандиозными числами, как число частиц, неудобно. Поэтому для измерения количества вещества используют специальную единицу – моль. Один моль – это количество вещества, в котором содержится столько же атомов или молекул, сколько атомов содержится в 12 граммах углерода. А в 12 граммах углерода содержится примерно 6,02 • 1023 атомов. Стало быть, в одном моле вещества содержится 6,02 • 1023 частиц. Это число называется постоянной Авогадро: NA = 6,02 • 1023 моль-1.

Количество вещества обозначается v. Это число молей данного вещества. Число молей, умноженное на число частиц в моле, даст общее число частиц.

Масса одного моля вещества называется молярной массой этого вещества. Как найти молярную массу химического элемента? Оказывается, для этого достаточно заглянуть в таблицу Менделеева! Нужно просто взять атомную массу A (число нуклонов) данного элемента – это будет его молярная масса, выраженная в г/моль. Например, для алюминия A = 27, поэтому молярная масса алюминия равна 27 г/моль или 0,027 кг/моль.

Почему так получается? Очень просто. Молярная масса углерода равна 12 г/моль по определению. В то же время ядро атома углерода содержит 12 нуклонов. Выходит, что каждый нуклон вносит в молярную массу 1 г/моль. Поэтому молярная масса химического элемента с атомной массой A оказывается равной A г/моль.

Молярная масса вещества, молекула которого состоит из нескольких атомов, получается простым суммированием молярных масс.

46

2.Естествознание 10-11классы: профильное обучение: учебное пособие / Л.Н. Харченко. – М.: Дрофа, 2007. – 223 с.

3.Игнатова, В.А. Естествознание: учебное пособие для студ. гуманитарных фак. вузов / В.А. Игнатова. – М.: Академкнига, 2002. – 256 с.

4.Мякишев, Г.Я. Физика: учеб. для 10 классов, общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – 11-е изд. – М.: Просвещение, 2003. – 336 с.

5.Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: учебник для студ. высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям / Г.И. Рузавин. – 3-е изд., стер. – М.: ИНФРА-М, 2012. – 270 с.

1. В молекулярной физике и термодинамике рассматриваются макроскопические тела, т.е. тела, состоящие из огромного числа частиц.

Термодинамической системой называется макроскопическое тело или система тел, которые могут взаимодействовать друг с другом и с окружающими телами. Стакан с водой – пример термодинамической системы.

Термодинамическая система состоит из столь большого числа частиц, что совершенно невозможно описывать её поведение путём рассмотрения движения каждой молекулы в отдельности. Однако именно грандиозность числа молекул делает ненужным такое описание.

Оказывается, что состояние термодинамической системы можно характеризовать небольшим числом макроскопических параметров – величин, относящимся к системе в целом, а не к отдельным атомам или молекулам. Такими макроскопическими параметрами являются давление, объём, температура, плотность, теплоёмкость, удельное сопротивление и др.

Состояние термодинамической системы, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными с течением времени, называется тепловым равновесием. В состоянии теплового равновесия прекращаются все макроскопические процессы: диффузия, теплопередача, фазовые переходы, химические реакции и т.д.5

Термодинамическая система называется изолированной, если она не может обмениваться энергией с окружающими телами. Чай в термосе – типичный пример изолированной системы.

Фундаментальный постулат, вытекающий из многочисленных опытных данных, гласит: каково бы ни было начальное состояние тел изолированной системы, со временем в ней устанавливается тепловое равновесие. Таким образом, тепловое равновесие – это состояние, в которое любая система, изолированная от окружающей среды, самопроизвольно переходит через достаточно большой промежуток времени.

Температура как раз и является величиной, характеризующей состояние теплового равновесия термодинамической системы. Температура – это макроскопический параметр, значения которого одинаковы для всех частей термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия. Попросту говоря, температура – это то, что является одинаковым для любых двух тел, которые находятся в тепловом равновесии друг с другом. При

47

тепловом контакте тел с одинаковыми температурами между ними не будет происходить обмен энергией (теплообмен).

Вобщем же случае при установлении между телами теплового контакта теплообмен начнётся. Говорят, что тело, которое отдаёт энергию, имеет более высокую температуру, а тело, которое получает энергию – более низкую температуру. Температура, таким образом, указывает направление теплообмена между телами. В процессе теплообмена температура первого тела начнёт уменьшаться, температура второго тела – увеличиваться; при выравнивании температур теплообмен прекратится – наступит тепловое равновесие.

Особенность температуры заключается в том, что она не аддитивна: температура тела не равна сумме температур его частей. Этим температура отличается от таких физических величин, как масса, длина или объём. И по этой причине температуру нельзя измерить путём сравнения с эталоном.

Для создания термометра выбирают какое-либо вещество (термометрическое вещество), какую-либо характеристику этого вещества (термометрическую величину), и используют зависимость термометрической величины от температуры. При этом выбор термометрического вещества и термометрической величины может быть весьма произвольным. Так, в бытовых жидкостных термометрах термометрическим веществом является ртуть (или спирт), а термометрической величиной – длина столбика жидкости. Здесь используется линейная зависимость объёма жидкости от температуры

Видеально-газовых термометрах используется линейная зависимость давления разреженного газа (близкого по своим свойствам к идеальному) от температуры

Действие электрических термометров (термометров сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников

Впроцессе измерения температуры термометр приводится в тепловой контакт с телом, температура которого определяется. Показания термометра после наступления теплового равновесия – это и есть температура тела. При этом термометр показывает свою температуру!

2. Опираясь на работы Джоуля и Майера, Клаузнус впервые высказал мысль, сформировавшуюся впоследствии в первое начало термодинамики. Он сделал вывод, что всякое тело имеет внутреннюю энергию U . Клаузиус назвал

еетеплом, содержащимся в теле. Внутреннюю энергию можно увеличить двумя эквивалентными способами: проведя над телом механическую работу, или сообщая ему количество теплоты.

В1860 г. У. Томсон окончательно заменив устаревший термин «сила» термином «энергия», записывает первое начало термодинамики в следующей формулировке: количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы

Первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, утверждает баланс энергии и работы. Его роль можно сравнить с ролью

48

своеобразного «бухгалтера» при взаимопревращения различных видов энергии друг в друга.

Второе начало термодинамики играет важнейшую роль в понимании процессов и явлений природы. Впервые оно было, фактически, сформулировано пусть в несовершенной форме, еще в начале 19-го века и в этом виде понятно любому человеку, поскольку он сталкивается с ним в своем повседневном опыте.

Так, в 1811 г. Жан-Батист Фурье сформулировал закон теплопроводности, согласно которому количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления (т.е. через единицу длины), прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления. При этом количество теплоты переносится от участков с большей температурой в направлении участков с меньшей температурой и никогда наоборот.. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым.

Фактически, закон теплопроводности уже выходил за рамки классической ньютоновской механики по той причине, что описывал необратимый процесс, а все законы ньютоновской механики являются обратимыми, инвариантными относительно направления времени. Так в науку вошло понятие необратимости.

Нельзя говорить о том, что в теле заключено какое-то количество теплоты. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она (теплота) не является сохраняющей величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии.

3. Лёд, вода и водяной пар – примеры трёх агрегатных состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного. В каком именно агрегатном состоянии находится данное вещество – зависит от его температуры и других внешних условий, в которых оно находится.

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы – изменения агрегатных состояний вещества тела. Нас будут интересовать следующие фазовые переходы

плавление (твёрдое тело → жидкость);

кристаллизация (жидкость → твёрдое тело)

парообразование (жидкость → пар);

конденсация (пар → жидкость).

Плавлением называется превращение кристаллического твёрдого тела в жидкость. Расплавить можно любое тело – для этого нужно нагреть его до температуры плавления, которая зависит лишь от вещества тела, но не от его формы или размеров. Температуру плавления данного вещества можно определить из таблиц.

49

Наоборот, если охлаждать жидкость, то рано или поздно она перейдёт в твёрдое состояние. Превращение жидкости в кристаллическое твёрдое тело называется кристаллизацией или отвердеванием. Таким образом, плавление и кристаллизация являются взаимно обратными процессами.

Температура, при которой жидкость кристаллизуется, называется температурой кристаллизации. Оказывается, что температура кристаллизации равна температуре плавления: при данной температуре могут протекать оба процесса. Так, при 0 °C лёд плавится, а вода кристаллизуется; что именно происходит в каждом конкретном случае – зависит от внешних условий (например, подводится ли тепло к веществу или отводится от него).

Парообразование – это переход жидкости в газообразное состояние (в пар). Существует два способа парообразования: испарение и кипение.

Испарением называется парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Причиной испарения является вылет из жидкости наиболее быстрых молекул, которые способны преодолеть силы межмолекулярного притяжения. Эти молекулы и образуют пар над поверхностью жидкости.

Разные жидкости испаряются с разными скоростями: чем больше силы притяжения молекул друг к другу – тем меньшее число молекул в единицу времени окажутся в состоянии их преодолеть и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения. Быстро испаряются эфир, ацетон, спирт (их иногда называют летучими жидкостями), медленнее – вода, намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.

Скорость испарения растёт с повышением температуры (в жару бельё высохнет скорее), поскольку увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, и тем самым возрастает число быстрых молекул, способных покинуть её пределы.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идёт быстрее (вот почему при развешивании белья его тщательно расправляют).

Одновременно с испарением наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, совершая беспорядочное движение над поверхностью жидкости, частично возвращаются обратно в жидкость. Превращение пара в жидкость называется конденсацией

Конденсация замедляет испарение жидкости. Так, в сухом воздухе бельё высохнет быстрее, чем во влажном. Быстрее оно высохнет и на ветру: пар сносится ветром, и испарение идёт более интенсивно.

В некоторых ситуациях скорость конденсации может оказаться равной скорости испарения. Тогда оба процесса компенсируют друг друга и наступает динамическое равновесие: из плотно закупоренной бутылки жидкость не улетучивается годами, а над поверхностью жидкости в этом случае находится насыщенный пар