Лекция 1

Лекция 1

Введение. Предмет и задачи дисциплины «Физика и химия окружающей среды»

Международная система единиц.

Физика – наука о природе. С незапамятных времен люди начали проводить систематические наблюдения за явлениями природы, стремились подметить последовательность происходящих явлений и научились предвидеть ход многих событий в природе, например смену времен года, время разливов рек и многое другое. Эти свои знания они использовали для определения времени посева, уборки урожая и т. д. Постепенно люди убедились в том, что изучение явлений природы приносит им неоценимую пользу.

Тогда появились ученые, которые посвящали свою жизнь изучению явлений природы, обобщали опыт предыдущих поколений. Они записывали результаты наблюдений и опытов, сообщали свои знания ученикам. Вначале учеными были жрецы, которым их знания позволяли держать народ в подчинении. Поэтому записи ученые часто делали в зашифрованном виде, а учеников тщательно отбирали и они должны были хранить свои знания в тайне.

Первые книги о явлениях природы, которые стали достоянием народа, появились, по – видимому, в Древней Греции. Это способствовало быстрому развитию науки в этой стране и появлению многих выдающихся ученых.

Греческое слово «фюзис» в переводе означает «природа», поэтому наука о природе стали называть физикой. Начиная с XVII в. происходит быстрое развитие физики. Из нее постепенно выделяются новые науки о природе, например химия. Все науки, изучающие явления природы, стали называть естественными науками.

Многолетнее изучение явлений природы привело ученых к идее о материальности окружающего нас мира.

Материя существует не только в форме вещества. Например, радиоволны и свет нельзя назвать веществом. Они представляют собой особую форму материй, называемую электромагнитным полем.

Изучение окружающего нас мира показало, что материя находится в постоянном движении. Любое изменение, происходящее в природе, представляет собой движение материи. Накопленный веками опыт убедил ученых, что материя может видоизменяться, но никогда не возникает и не исчезает. Движение материи также может менять свою форму, но само движение материи не создается и не уничтожается. Иначе говоря, окружающий нас мир есть вечно движущаяся и развивающаяся материя. Всеобщей мерой движения материи во всех ее формах является энергия, а неуничтожимость движения материи выражается законом сохранения энергии.

Наиболее общие формы движения материи называются физическими. К ним относятся: механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная и внутриядерная формы движения материи. Современная физика изучает различные формы движения материи, их взаимные превращения, а также свойства вещества и поля.

Понятие о величине и измерении. Физические величины. Развитие наук о природе, в частности физики, идет по следующему пути. С помощью экспериментов накапливается большой фактический материал об определенной группе явлений природы. На основе этого материала создается гипотеза, с единой точки зрения объясняющая эти явления. Справедливость гипотезы подтверждается, то на ее основе создается теория, которая должна удовлетворительно объяснять наблюдаемые явления не только с качественной, но и с количественной стороны, а также предсказывать новые явления.

Это означает, что расчеты значений величин с помощью формул, полученных из теории, должны совпадать с результатами измерений этих же значений в экспериментах. Следовательно, эксперименты сопровождается измерением тех или иных величин.

Все то, что может быть выражено количественно, называют величиной. Так, длина проволоки, скорость движения лодки, температура воды в стакане являются примерами величин различного рода. Нельзя сравнивать значения разнородных величин, например длину проволоки и скорость движения лодки. А вот сравнивать длину проволоки с длиной стола можно. Если при таком сравнивании мы установили, что длина проволоки в пять раз больше длины стола, то длина стола является единицей измерения, так как с ней сравнивалась длина проволоки.

Сравнивание значений какой либо величины называется измерением. Чтобы результат измерения некоторой величины был понятен всем, необходимо эту величину сравнивать с одной и той же единицей измерения. Значение величины, с которым сравниваются все другие значения этой же величины, называют ее единицей измерения. Так, метр является общепринятой единицей длины.

Для каждой величины должна быть установлена своя единица измерения. Число, показывающее, сколько в измеренной величине содержится единиц измерения, называют числовым значением этой величин.

Величины, характеризующие физические свойства материи или характерные особенности физических явлений природы, называются физическими величинами. Числовые значения физических величин нужно писать с наименованиями их единиц, например: 2,4 метра, 4,5 секунды, или сокращенно: 2,4 м, 4,5 с.

Сначала в каждой стране пользовались своими единицами измерения, но в конце XVIII в. во Франции была создана метрическая система мер, которая в настоящее время применяется во всем мире.

При создании этой системы были установлены единицы измерения: длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда.

Угловые измерения на небе. Большинство объектов, которые исследуются в астрономии, недоступно непосредственному наблюдению, поэтому все сведения о них могут быть получены только на основе всестороннего изучения приходящего от них света. О том, как анализируется свет качественно и количественно, будет рассказано дальше. Пока что нам важно, что по направлению луча света, приходящего от небесного тела, можно установить его положение на небе. Это делается путем угловых измерений.

Так, угол между зрительной трубой, направленной на небесное тело, и плоскостью горизонта называется его высотой над горизонтом. Угол между направлениями на две звезды определяет угловое расстояние между ними. Разумеется, угловое расстояние между небесными телами характеризует только их взаимное расположение на небе. Если, например, две звезды находятся друг от друга на малом расстоянии и кажутся расположенными рядом, то это вовсе не означает, что они действительно близки между собой. Одна из них может быть во много раз дальше от Земли, чем другая. Фотографируя звездное небо и измеряя на фотографиях расстояния между звездами, астрономы составляют звездные атласы и карты, схемы и списки точных координат звезд.

Угловые измерения на небе производят не только при разнообразных астрономических наблюдениях, но и широко используют с давних времен в навигации для ориентирования по Солнцу и по звездам. В настоящее время по Солнцу и звездам осуществляют ориентацию спутников и космических кораблей.

Угловые измерения необходимы также для определения размеров небесных тел. Нетрудно понять, что видимые размеры светила зависят от расстояния до него. Например, угловой диаметр Солнца, т. е. угол между направлениями на диаметрально противоположные точки солнечного диска, составляет 0,5⁰. Луна примерно в 400 раз меньше Солнца, но во столько же раз ближе к Земле; поэтому она имеет такой же угловой диаметр и во время солнечных затмений может полностью закрыть от нас диск Солнца. Звезды же так далеки от нас, что в самые сильные телескопы видны в виде точек, хотя известно, что многие из них гораздо больше Солнца.

Основные единицы времени и их связь с движением Земли. Одной из важнейших физических величин является время. Жизнь на Земле тесно связана с периодическим движением Солнца по небосводу, поэтому с давних времен счет времени и определение единиц времени связаны с этим движением. Одна из таких единиц – солнечные сутки – представляет собой промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через наивысшую точку над горизонтом. Для измерения больших промежутков времени используется год – время одного оборота Земли вокруг Солнца. Для измерения малых промежутков времени сутки разделили на 24 часа, час – на 60 минут, минуту – на 60 секунд. Таким образом, секунда составляет 1/86 400 часть солнечных суток.

Долгое время астрономические наблюдения были единственным средством точного измерения времени. С изобретением часов люди получили возможность воспроизводить единицы времени. По мере совершенствования часов все более возрастала их точность; это позволило определить, что суточное вращение Земли происходит не совсем равномерно и длительность суток слегка колеблется. Поэтому для установления единицы времени были использованы средние за год солнечные сутки, причем для определенности был выбран 1900 г. , так как оказалось, что продолжительность года уменьшается примерно на полсекунды за столетие. Итак, было принято, что секунда составляет 1/86 400 долю средних солнечных суток 1900 г.

Такое определение эталона секунды , являющейся в физике основной единицей времени, неудобно, так как этот эталон нельзя точно воспроизвести.

Правило вывода единиц физических величин из формул. Международная система единиц СИ.

В физике встречается очень много различных, каждая из которых имеет свою единицу измерения. Произвольный выбор этих единиц сильно осложняет расчеты, так как в формулах, выражающих связь между различными физическими величинами, появляются числовые коэффициенты, зависящие только от выбора единиц измерения.

Таким образом, при произвольном выборе единиц все физические формулы надо писать с некоторыми коэффициентами пропорциональности κ. Например, формулу второго закона Ньютона надо записывать виде F=k₁ma, а формулу для работы силы F на отрезке пути s в виде A=k₂Fs и т.д.

Однако в большинстве формул от этих коэффициентов к можно избавиться, т.е. сделать их равными единице, если ввести произвольные единицы только для некоторых физических величин, принятых за основные, а единицы остальных физических величин выводят из формул. Так, в механике можно принять за основные величины длину, массу, время и для них выбрать единицы (например, метр, килограмм, секунда), а единицы остальных механических величин вывести из формул. Выведем, например, единицы силы и работы.

В формуле второго закона Ньютона F=k₁ma коэффициент k₁ будет равен единице, если при массе, равной единице, и ускорении, равном единице, сила тоже будет равна единице. Имея единицы массы и ускорения, можно выбрать единицу силы так, чтобы это условие выполнялось. Тогда формулу второго закона Ньютона можно писать без к₁: F=ma. Подберем теперь нужную нам единицу силы. Для этого подставим на место m и a их единицы с сокращенными наименованиями и выполним алгебраические действия как над числами, так и над наименованиями:

F=1 кг·1м/с²=1кг·м/с².

Примем полученный результат за единицу силы и назовем эту единицу н ь ю т о н о м, а выражение кг·м/с² назовем р а з м е р н о с т ь ю ньютона. Полученный результат словесно можно выразить так: ньютоном (Н) называется такая сила, которая массе в 1 кг сообщает ускорение в 1 м/с². Итак,

1Н=1кг·м/с².

Аналогично для единицы работы получим:

A=Fs; A=1H·1м=1Н·м=1кг·м²/с²=1Дж (джоуль).

Если величина, для которой ищут единицу, не выражена в явном виде, то, рассматривая формулу как уравнение, нужно найти эту величину в буквенном виде, а затем уже подставлять известные единицы измерения. Например, пусть нужно вывести единицу скорости из формулы s=ѵt. Тогда пишем:

ѵ=s/t; ѵ=1м/1 с=1м/с.

Сформулируем теперь п р а в и л о в ы в о д а е д и н и ц ф и з и ч е с к и х в е л и ч и н. Чтобы вывести новую единицу какой-либо физической величины, нужно:

1) подобрать формулу, содержащую эту величину, в которой единицы всех других величин известны;

2) алгебраически найти из формулы буквенное выражение этой величины;

3) в полученное выражение подставить все известные единицы измерения с их размерностями;

4) выполнить все требуемые алгебраические действия как над числам, так и над размерностями;

5) принять полученный результат за искомую единицу и дать ей название.

Для примера выведем теперь единицу мощности.

1) подбираем формулу:

A=Nt;

2) находим из этой формулы N:

N=-A/t

3) подставляем единицы работы и времени:

N=1дж/1с.

4) выполняем действия:

N=1кг·м²/с³

5) принимаем этот результат за единицу мощности и даем ей название в а т т (Вт):

1 Вт=1кг·м²/с³.

Те единицы, которые устанавливается произвольно и независимо друг от друга, например по международному соглашению, называются основными, а те, которые выводятся из формул, называются производными (от основных). Совокупность основных единиц с выведенными из них производными единицами называются системой единиц.

Оказалось, что для получения системы механических единиц целесообразно установить три основные единицы, а все остальные выводить из формул. В приведенных выше примерах основными единицами были: единица длины-1м, единица массы-1 кг и единица времени-1 с. Здесь сокращенные названия м ,кг ,с называются р а з м е р н о с т я м и о с н о в н ы х е д и н и ц и з м е р е н и я. Результат действий над этими размерностями, показывающий, как производная единица получилась из основных, называется р а з м е р н о с т ь ю п р о и з в о д н о й е д и н и ц ы и з м е р е н и я.

Очевидно, изменяя основные единицы (для одних и тех же физических величин, принятых за основные) или выбирая другие физические величины в качестве основных, можно получит много различных систем единиц. Поскольку физические формулы пишут без коэффициентов κ, вычисления будут давать правильный результат только в том случае, когда все числовые значения величин будут подставляться в одной и той же системе единиц.

В настоящее время при расчетах следует пользоваться М е ж д у н а р о д н о й с и с т е м о й е д и н и ц, сокращенно – СИ (система интернациональная). Это единая универсальная система, связывающая единицы механических, тепловых, электрических и других физических величин. Она построена на семи основных единицах:

1. единица длины – 1 метр (м);

2. единица массы – 1 килограмм (кг);

3. единица времени – 1 секунда (с);

4. единица температуры – 1 кельвин (К);

5. единица силы тока – 1 ампер (А);

6. единица силы света – 1 кандела (кд);

7. единица количества вещества – 1 моль (моль);

Точные определения этих единиц даны в ГОСТе. Они будут приведены дальше при изложений соответствующего материала.

Выше были приведены единицы скорости, силы, работы и мощности в СИ. Единицы важнейших величин в этой системе даны в Приложений в конце книги.

Плотность вещества. Измерения массы и объема тел, сделанных из одинакового вещества, показывает, что их масса прямо пропорциональна объему:

m=KV;

Здесь коэффициент К зависит от выбора единиц измерения и от рода вещества, так как масса тела, кроме объема, зависит еще от рода вещества, из которого состоит тело. Поэтому коэффициент К в формуле (1.4) можно представить в виде произведения двух сомножителей: к, выражающего зависимость массы от выбора единиц измерения, и ρ, выражающего зависимость массы от рода вещества тела: К=кρ. Тогда формула примет вид

m=кρV.

Как говорилось выше, к в формуле можно не писать, если воспользоваться ею для вывода новой единицы измерения. Поэтому формулу (1.5) записывают следующим образом:

m=ρV

Величина ρ, характеризующая зависимость тела от рода вещества и внешних условий, называется плотностью вещества .Плотность измеряют массой вещества в единице объема:

p= m/V

Объем тела меняется при изменений давления и температуры .Это и означает, что плотность зависит от внешних условий.

Теперь выведем единицу плотности:

p= m/V; p= 1 кг/ 1м³ = 1 кг/м³.

В СИ за единицу плотности принимают плотность такого вещества, которое в объеме 1м³ имеет массу 1 кг. При расчетах плотность вещества берут из таблиц.