|
Инфофиз
Весь мир в твоих руках, всё будет так, как ты захочешь!
|
|
|---|
Инфофиз
Весь мир в твоих руках, всё будет так, как ты захочешь!
Физика для студентов
Вопрос 1. Механическое движение, его относительность. Траектория движения. Путь и перемещение. Материальная точка.
Краткий ответ
Механическим движением тела называют изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.
Механическое движение относительно. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным.
Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется относительность механического движения.
Траектория - воображаемая или видимая линия, в каждой точке которой побывало тело в процессе своего движения.
Длина траектории называется пройденным путем. Обозначается l. (траектория – след, путь – расстояние)
Пройденный путь l равен длине траектории, пройденной телом за некоторое время t.
Путь – скалярная величина.
В СИ единица измерения пути: 1 м .
Перемещением тела называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением.
Перемещение векторная величина. (перемещение – вектор, модуль перемещения – скаляр)
Обозначается S, измеряется в метрах.
Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.
Механическим движением тела называют изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. Механическое движение относительно. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным. Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется относительность механического движения. Для описания движения тела нужно указать, по отношению к какому телу рассматривается движение. Это тело называют телом отсчета. Покой тоже относителен. Например, пассажир в покоящемся поезде смотрит на проходящий мимо поезд и не понимает, какой поезд движется, пока не посмотрит на небо или землю. Все тела во Вселенной движутся, поэтому не существует тел, которые находятся в абсолютном покое. По той же причине определить движется тело или нет, можно только относительно какого-либо другого тела. Например, автомобиль движется по дороге. Дорога находится на планете Земля. Дорога неподвижна. Поэтому можно измерить скорость автомобиля относительно неподвижной дороги. Но дорога неподвижна относительно Земли. Однако сама Земля вращается вокруг Солнца. Следовательно, дорога вместе с автомобилем также вращается вокруг Солнца. Следовательно, автомобиль совершает не только поступательное движение, но и вращательное (относительно Солнца). А вот относительно Земли автомобиль совершает только поступательное движение. В этом проявляется относительность механического движения. Движение одного и того же тела может выглядеть по-разному с точки зрения различных наблюдателей. Скорость, направление движения и вид траектории тела будут различными для различных наблюдателей. Без указания тела отсчета разговор о движении является бессмысленным. Например, сидящий пассажир в поезде покоится относительно вагона, но движется вместе с вагоном относительно платформы вокзала. Проиллюстрируем теперь для различных наблюдателей различие вида траектории движущегося тела. Находясь на Земле, на ночном небе легко можно видеть яркие быстро летящие точки - спутники. Они движутся по круговым орбитам вокруг Земли, то есть вокруг нас. Сядем теперь в космический корабль, летящий к Солнцу. Мы увидим, что теперь каждый спутник движется не по окружности вокруг Земли, а по спирали вокруг Солнца: Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта. Линия, по которой движется точка тела, называется траекторией движения. Траектория - воображаемая или видимая линия, в каждой точке которой побывало тело в процессе своего движения. Длина траектории называется пройденным путем. Обозначается l. (траектория – след, путь – расстояние) Пройденный путь l равен длине траектории, пройденной телом за некоторое время t. Путь – скалярная величина. В СИ единица измерения пути: 1 м - основная! Производные: Перемещением тела называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением. Перемещение векторная величина. (перемещение – вектор, модуль перемещения – скаляр) Обозначается S, измеряется в метрах. Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь. Понятие материальной точки играет важную роль в механике. Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстоянием от него до других тел. Пример. Размеры орбитальной станции, находящейся на орбите около Земли, можно не учитывать (в этом случае орбитальная станция считается материальной точкой), а рассчитывая траекторию движения космического корабля при стыковке со станцией, без учета ее размеров не обойтись (в этом случае орбитальную станцию нельзя считать материальной точкой). Развернутый ответ
Кинетическая энергия. Потенциальная энергия тела поднятого над поверхностью Земли. Потенциальная энергия упруго деформированного тела. Закон сохранения полной механической энергии.
Краткий ответ
Механическая энергия тела – это скалярная величина, равная максимальной работе, которая может быть совершена в данных условиях.
Обозначается Е.
Единица энергии в СИ [1Дж = 1Н*м]
Различают два вида механической энергии – кинетическая Ек и потенциальная Еp энергия.
Полная механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергий Е = Ек + Еp
Кинетическая энергия – это энергия тела, обусловленная его движением. Это физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости.
m - масса тела
- скорость тела
Потенциальная энергия – энергия тела, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих между собой тел или частей одного тела.
Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести (потенциальная энергия тела, поднятого над землёй):
Ep = mgh
m - масса тела
g - ускорение свободного падения
h - высота поднятия тела над нулевым уровнем (над поверхностью Земли)
Потенциальная энергия упруго деформированного тела:
k - коэффициент упругости (жесткость тела)
x - абсолютная деформация (удлинение тела)
Закон сохранения энергии в механических процессах: сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной.
Е = Ек + Еp = const
Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой только консервативными силами, при любых движениях этих тел не изменяется. Происходят лишь взаимные превращения потенциальной энергии тел в их кинетическую энергию, и наоборот, или переход энергии от одного тела к другому.
Развернутый ответ
Если тело способно совершить работу, то говорят, что оно обладает энергией.
Механическая энергия тела – это скалярная величина, равная максимальной работе, которая может быть совершена в данных условиях.
Обозначается Е Единица энергии в СИ [1Дж = 1Н*м]
Механическая работа есть мера изменения энергии в различных процессах А = ΔЕ.
Различают два вида механической энергии – кинетическая Ек и потенциальная Еp энергия.
Полная механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергий
Е = Ек + Еp
Кинетическая энергия – это энергия тела, обусловленная его движением.
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела:
Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью 
равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:
Если тело движется со скоростью , то для его полной остановки необходимо совершить работу
Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятиепотенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.
Потенциальная энергия – энергия тела, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих между собой тел или частей одного тела.
Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями. Такие силы называются консервативными. Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю.
Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.
Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести (потенциальная энергия тела, поднятого над землёй):
Ep = mgh
Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.
Понятие потенциальной энергии можно ввести и для упругой силы. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.
Можно просто удлинить пружину на величину x, или сначала удлинить ее на 2x, а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях упругая сила совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была недеформирована. Эта работа равна работе внешней силы A, взятой с противоположным знаком :
где k – жесткость пружины.
Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии.
Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину
Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.
Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x1, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:
Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.
Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только силами тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:
A = –(Ep2 – Ep1).
По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел:
A = Ek2 – Ek1
Следовательно Ek2 – Ek1 = –(Ep2 – Ep1) или Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.
Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной.
Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона.
Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией.
Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой только консервативными силами, при любых движениях этих тел не изменяется. Происходят лишь взаимные превращения потенциальной энергии тел в их кинетическую энергию, и наоборот, или переход энергии от одного тела к другому.
Е = Ек + Еp = const
Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.
В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.
Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.
Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).
Вопрос 2. Характеристики механического движения: перемещение, скорость, ускорение. Кинематические уравнения, связывающие перемещение, скорость и ускорение в векторной форме.
Перемещение тела - это направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением.
Перемещение векторная величина. (перемещение – вектор, модуль перемещения – скаляр).
Обозначается S
Единица измерения перемещения - метр [1 м].
Скорость равномерного прямолинейного движения — это векторная физическая величина, равная отношению перемещения тела S за любой промежуток времен к значению этого промежутка t:
vх=S/t
Скорость показывает быстроту изменения координаты: vх=(х-х0)/t=Δх/t.
Единица измерения скорости - метр в секунду [1 м/с]
Ускорение — это векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.
Ускорение показывает, как быстро изменяетcя скорость тела. Если ускорение положительно, значит скорость тела увеличивается, движение ускоренное. Если ускорение отрицательно, значит скорость уменьшается, движение замедленное.
Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то такое движение называют равнопеременным.
Тогда ускорение можно рассчитать по формуле:
Обозначения:
vх— конечная скорость тела при равноускоренном движении по прямой
v0х— начальная скорость тела
a — ускорение тела
t — время движения тела
Единица измерения ускорения в СИ [м/с2].
Ускорение измеряют акселерометром.
Уравнение равномерного движения (перемещение тела при равномерном движении):
S=vх·t
Кинематическое уравнение скорости при равноускоренном движении по прямой:
Кинематическое уравнение перемещения при равноускоренном движении по прямой:
Обозначения:
— Перемещение тела при равноускоренном движении по прямой
— Начальная скорость тела
— Скорость тела при равноускоренном движении по прямой
— Ускорение тела
— Время движения тела
Равнопеременное движение. Уравнения скорости и перемещения при равнопеременном движении. Графическое представление равнопеременного движения.
Краткий ответ
Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называют равноускоренным или равнопеременным движением.
Скорость при равноускоренном движении по прямой — это начальная скорость тела плюс ускорение данного тела умноженное на время в пути
Перемещение при равноускоренном движении по прямой — это расстояние пройденное телом по прямой (расстояние между начальной и конечной точками движения)
Обозначения:
— Перемещение тела при равноускоренном движении по прямой
— Начальная скорость тела
— Скорость тела при равноускоренном движении по прямой
— Ускорение тела
— Время движения тела
Графическое представление неравномерного прямолинейного движения
Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций. Обозначают:
(t) - изменение скорости со временем
S(t) - изменение перемещения (пути) со временем
a(t) - изменение ускорения со временем
Зависимость ускорения от времени. Ускорение со временем не изменяется, имеет постоянное значение, график a(t) - прямая линия, параллельная оси времени.
Зависимость скорости от времени. При равномерном движении скорость изменяется, согласно линейной зависимости 
. Графиком является наклонная линия.
Правило определения пути по графику v(t): Путь тела - это площадь треугольника (или трапеции) под графиком скорости.
Правило определения ускорения по графику v(t): Ускорение тела - это тангенс угла наклона графика к оси времени. Если тело замедляет движение, ускорение отрицательное, угол графика тупой, поэтому находим тангенс смежного угла.
Зависимость пути от времени. При равноускоренном движении путь изменяется, согласно квадратной зависимости 
. В координатах зависимость имеет вид 
. Графиком является ветка параболы.
Движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения, называют неравномерным илипеременным движением.
Для характеристики неравномерного движения вводится понятие средней скорости:
Средняя скорость движения равна отношению всего пути, пройденного материальной точкой к промежутку времени, за который этот путь пройден.
В физике наибольший интерес представляет не средняя, а мгновенная скорость, которая определяется как предел, к которому стремится средняя скорость за бесконечно малый промежуток времени Δt:
Мгновенной скоростью переменного движения называют скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории.
Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке.
Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называют равноускоренным или равнопеременным движением.
Скорость при равноускоренном движении по прямой — это начальная скорость тела плюс ускорение данного тела умноженное на время в пути
Перемещение при равноускоренном движении по прямой — это расстояние пройденное телом по прямой (расстояние между начальной и конечной точками движения)
Обозначения:
— Перемещение тела при равноускоренном движении по прямой
— Начальная скорость тела
— Скорость тела при равноускоренном движении по прямой
— Ускорение тела
— Время движения тела
Еще формулы, для нахождения перемещения при равноускоренном прямолинейном движении, которые можно использовать при решении задач:
- если известны начальная, конечная скорости движения и ускорение.
- если известны начальная, конечная скорости движения и время всего движения
Графическое представление неравномерного прямолинейного движения
Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций. Обозначают:
(t) - изменение скорости со временем
S(t) - изменение перемещения (пути) со временем
a(t) - изменение ускорения со временем
Зависимость ускорения от времени. Ускорение со временем не изменяется, имеет постоянное значение, график a(t) - прямая линия, параллельная оси времени.
Зависимость скорости от времени. При равномерном движении скорость изменяется, согласно линейной зависимости . Графиком является наклонная линия.
Правило определения пути по графику v(t): Путь тела - это площадь треугольника (или трапеции) под графиком скорости.
Правило определения ускорения по графику v(t): Ускорение тела - это тангенс угла наклона графика к оси времени. Если тело замедляет движение, ускорение отрицательное, угол графика тупой, поэтому находим тангенс смежного угла.
Зависимость пути от времени. При равноускоренном движении путь изменяется, согласно квадратной зависимости . В координатах зависимость имеет вид . Графиком является ветка параболы.
Прямолинейное равномерное движение. Скорость. Графическое представление движения.
Равномерное прямолинейное движение — это такое движение, при котором тело за любые одинаковые промежутки времени проходит одинаковое расстояние.
Скорость равномерного прямолинейного движения — это векторная физическая величина, равная отношению перемещения тела S за любой промежуток времен к значению этого промежутка t:
vх=S/t
Обозначения:
vх - проекция скорости на ось х
S - перемещение
t - время
Скорость показывает быстроту изменения координаты: vх=(х-х0)/t=Δх/t
Единица измерения скорости - метр в секунду [1 м/с]
Графическое представление равномерного прямолинейного движения
Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций. Обозначают:
v(t) - изменение скорости со временем
S(t) - изменение перемещения (пути) со временем
a(t) - изменение ускорения со временем
Зависимость ускорения от времени. Так как при равномерном движении ускорение равно нулю, то зависимость a(t) - прямая линия, которая лежит на оси времени.
Зависимость скорости от времени. Так как тело движется прямолинейно и равномерно (v=const), т.е. скорость со временем не изменяется, то график с зависимостью скорости от времени v(t) - прямая линия, параллельная оси времени.
Проекция перемещения тела численно равна площади прямоугольника под графиком, так как величина вектора перемещения равна произведению вектора скорости на время, за которое было совершено перемещение.
Правило определения пути по графику v(t): при прямолинейном равномерном движении модуль вектора перемещения равен площади прямоугольника под графиком скорости.
Зависимость перемещения от времени. График s(t) - наклонная линия
Зависимость координаты от времени. График х(t) - наклонная линия:
Из графика видно, что проекция скорости равна:
vх=S/t=tga
Рассмотрев эту формулу, мы можем сказать, чем больше угол a, тем быстрей движется тело и оно проходит больший путь за меньшее время.
Правило определения скорости по графику s(t) и x(t): Тангенс угла наклона графика к оси времени равен скорости движения.
Явление внешнего фотоэффекта. Законы А.Г. Столетова для внешнего фотоэффекта. Уравнение А. Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Краткий ответ
Фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) - это явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.
Законы фотоэффекта:
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
- Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.
- Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
- Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: 
hν - энергия кванта электромагнитного излучения
ν - частота электромагнитного излучения
Авых - работа выхода для данного вещества
- кинетическая энергия фотоэлектрона
Читается оно так: энергия поглощенного кванта идет на работу выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии.
Развернутый ответ
Фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) - это явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.
Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем, в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым и в
Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рисунке.
В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.
Столетов заметил, что при увеличении напряжения между катодами фототок увеличивается, но после определенного значения напряжения, фототок больше не изменяется ( при неизменной интенсивности света). Ток достигает своего насыщения.
Iн - фототок насыщения, устанавливается тогда, когда все электроны, вырываемые светом с поверхности катода за секунду, достигают анода за это же время.
Даже когда напряжение между катодом и анодом отсутствует, фототок появляется при осещении катода. Это означает, что часть электронов, вырванных из вещества, все же достигают анода. Если поменять полярность электродов, то при некотором напряжении фототок прекращается. Это напряжение назвали задерживающим (или запирающим) напряжением - Uз.
С помощью этой установки Столетовым были установлены следующие законы фотоэффекта:
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
- Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.
- Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
- Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.
Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Выход был найден А. Эйнштейном в
Эйнштейн получил формулу: , где
hν - энергия кванта электромагнитного излучения
ν - частота электромагнитного излучения
Авых - работа выхода для данного вещества
- кинетическая энергия фотоэлектрона
Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Читается оно так: энергия поглощенного кванта идет на работу выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии.