Инфофиз

Все вы в своей жизни наблюдали за тем, что тела, не имеющие опоры или подвеса, падают вниз. В чем причина такого падения? Конечно же в том, что на все тела у поверхности Земли действует сила тяжести. 

Свободным падением тела называется движение тела только под действием силы тяжести.

Проведем мысленный эксперимент. Представьте, что одновременно начинают падение мяч, камень, лист дерева и перо птицы. В какой очередности упадут эти тела?

Первым упадут камень и мяч, затем перо и лист.

Почему? На перо и лист оказывает заметное влияние сила сопротивления воздуха, направленная против силы тяжести.

Падение тела не может считаться свободным, если сила сопротивления воздуха сравнима с силой тяжести.

Еще в конце XVI века знаменитый итальянский ученый Г. Галилей предположил, что все тела падают с одинаковым ускорением и опытным путем доказал, что это предположение верно.

Согласно биографии Галилео Галилея, написанной его учеником Винченцо Вивиани, в 1589 году Галилей провёл эксперимент, сбросив два шара различной массы (ядро и мушкетную пулю) со знаменитой падающей башни в Пизе, чтобы продемонстрировать, что время падения не зависит от массы шара. С помощью этого эксперимента Галилей якобы обнаружил, что тела упали практически одновременно, тем самым доказав, что в отсутствии сопротивления воздуха все тела падают на Землю равноускоренно и что в данной точке Земли ускорение всех тел при падении одно и то же.

Исаак Ньютон доказал справедливость выводов Галилео простым опытом.

В стеклянную трубку он поместил дробинку, пробку и перышко. Если резко перевернуть расположенную вертикально трубку, то быстрее всего упадет дробинка, за ней кусочек пробки и потом плавно опустится перышко. Если же из трубки откачать воздух и опять резко перевернуть её,то все три тела опустятся на дно одновременно.

 Какие выводы можно сделать из опыта Ньютона?

1. Тела падают с одинаковым ускорением.

2. Существует сила сопротивления воздуха

Ускорение, с которым тела падают на Землю, называется ускорением свободного падения.

Ускорение свободного падения - ускорение, сообщаемое телу, поднятому над Землей, силой тяжести.

Вектор ускорения свободного падения обозначается символом g.

g=9,8 м/с²≈10м/с²

Из закона всемирного тяготения: 

Ускорение свободного падения:

1) Всегда направлено по вертикали вниз

2) Не зависит от массы падающего тела

3) Зависит от географической широты. Так как Земля не шар, а эллипсоид вращения, т.е. радиус Земли на полюсе меньше, чем радиус Земли на экваторе.

Поэтому сила тяжести и вызвемое ей ускорение больше на полюсе, чем на экваторе. g изменяется примерно от 9,83 м/с² на полюсах до 9,78 м/с² на экваторе. На широте Москвы g = 9,81523 м/с². Обычно, если в расчетах не требуется высокая точность, то числовое значение g у поверхности Земли принимают равным 9,8 м/с² или даже 10 м/с².

4) Зависит от высоты над уровнем моря 

Рассмотрим несколько примеров движения тел под действием силы тяжести. При решении подобных задач очень важно правильно выполнить чертеж, на котором указать направление осей и всех векторных величин.

Равномерное движение по окружности

Криволинейное движение – движение, траекторией которого является кривая линия. Любой участок криволинейного движения приближённо можно представить в виде дуги окружности. Поэтому движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью является простейшим видом криволинейного движения.

Траектория движения – окружность. Вектор скорости всегда направлен по касательной к окружности. Величина скорости постоянная, направление скорости всё время меняется.

Ускорение при движении по окружности называют центростремительным. Оно всегда, в каждой точке траектории, направлено к центру окружности. Центростремительное ускорение не меняет модуля скорости, но изменяет направление скорости.

 Величины, характеризующие движение по окружности с постоянной по модулю скоростью.

Число полных оборотов за время t. Обозначается N.

N=t/T или N=tν

Период обращения Т  – время одного полного оборота (время, за которое тело совершает один полный оботот, т.е. поворачивается на угол 2π. Единица измерения - секунда [с].

T=t/N      T=1/ν         

Частота v (греческая буква "ню") – число полных оборотов за 1 с. Единица измерения герц [Гц]

ν=N/t      ν=1/T 

Линейная скорость υ показывает, какой путь проходит тела за 1 секунду.

При движении тела по окружности одной из характеристик движения является угловое перемещние или угол поворота. 

S - линейное перемещение

φ - угловое перемещение

Единица угла поворота - рад (радиан). 

1 радиан - это угол, опирающийся на дугу окружности, равную её радиусу.

Угловая скорость ω тела в данной точке круговой траектории - это физическая величина, которая определяется углом поворота за удиницу времени. Она показывает на какой угол поворачивается тело за 1 секунду. Угловая скорость характеризует скорость вращения материальной точки вокруг центра вращения.

Угловая скорость определяется по формуле:

ω=ΔφΔ/t    или    ω=φ/t

Δφ - угол поворота материальной точки за время Δt, угловое перемещение

Δt - промежуток времени, за которое это угловое перемещение было совершено.

Угловая скорость измеряется в рад/с.

Связь между модулем линейной скорости υ и угловой скоростью ω:

υ = ωR

Центростремительное ускорение:

Модуль центростремительного ускорения связан с линейной υ и угловой ω скоростями соотношениями:

Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения, силы взаимодействия между частицами, образующими тела и характеры теплового движения этих частиц.

Молекулярная физика исходит из того, что любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из громадного числа молекул, которые находятся в беспорядочном движении, интенсивность которого зависит от температуры. При изучении молекулярной физики Вы познакомитесь со строением, структурой и свойствами некоторых материалов, с особенностями агрегатных изменений, рассмотрите зависимости количественных характеристик от физико-механических свойств веществ и их строения.

Молекулярная физика служит научной основой современного материаловедения, вакуумной технологии, порошковой металлургии, холодильной техники.

Представления о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц - атомов, впервые появились в трудах древнегреческих ученых философов Левклиппа, Демокрита и Эпикура, живших V-III веках до нашей эры. Все явления природы они пытались объяснить движением этих невидимых частиц.

Учение о том, что все тела состоят из отдельных частиц – атомов, возникло в Древней Греции в IV в. до н.э. Основоположником атомистической теории был философ Демокрит.

Греческий философ Демокрит предположил, что все вещества состоят из невидимых человеческим глазом малых частиц - атомов. Он описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи, постулируя не только бесконечность числа атомов во Вселенной, но и бесконечность их форм

Атомизм - учение о прерывистом, дискретном строение материи. До конца 19 века атомизм утверждал, что материя состоит из отдельных невидимых частиц - атомов.

Атомистическая теория (по-гречески atomos – неделимый) – вещество имеет дискретное строение, состоит из отдельных, разделенных пространственными промежутками частиц

Греческая форма атомизма плодотворно повлияла на развитие науки. Наиболее полно и в ясном изложении дошли до нас изустные и письменные работы древних греков.

Атомистика философов Древней Греции и Рима.

Характерные черты естествознания того времени – это накопление эмпирического материала, попытки объяснить мир с помощью общих умозрительных гипотез и теорий, в которых предсказывалось, предвосхищалось немало позднейших научных открытий. К примеру, в ту эпоху зародились идеи об атомарном, дискретном строении материи.

Древние греки создали учение о материальной первооснове всех вещей, родоначальниками которого были Фалес Милетский (625-547 до н. э.), Анаксимандр (610-547 до н. э.), Анаксимен (585-525 до н. э.) и другие античные философы.

Непосредственными предшественниками атомистов были Эмпедокл (490-430 до н. э.) и Анаксагор (500-428 до н. э.), они выдвинули концепцию элементов, из которых построена Вселенная.

По учению Эмпедокла такими материальными элементами являются огонь, воздух, вода и земля. Они вечны, неразрушимы, хотя и изменяются по числу и величине путем соединения и разделения. Эмпедокл утверждал: «Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться».

Анаксагор считал, что мир состоит из бесконечного множества частиц («семян») веществ и в результате их совокупного движения темный холодный воздух отделяется от светлого горячего эфира, а частицы соединяются с себе подобными. Так образуются материальные тела.

Философы Левкипп и его ученик Демокрит (460-370 до н. э.) стали основателями атомистической теории. По учению Левкиппа материя состоит из отдельных частиц – атомов, находящихся в пустом пространстве, и слишком мелких, чтобы их можно было увидеть в отдельности. Атомы непрерывно движутся в пространстве и воздействуют друг на друга при помощи толчков и давления.

Более полно и стройно атомистическая теория была изложена великим древнегреческим философом-материалистом Демокритом.

Приведем некоторые принципиальные положения Демокрита, имеющие отношение к атомистической теории:

1. Ничто не возникает из ничего и ничего не переходит в ничто.
2. Материя состоит из бесконечного числа мельчайших, неделимых частиц – атомов.
3. Атомы вечны и неизменны, а все сложные тела, из них состоящие, изменчивы и преходящи.
4. Не существует ничего, кроме атомов и «чистого» пространства.
5. Атомы вечно движутся. Движение всегда присуще атомам и происходит в силу господства во Вселенной закона универсальной необходимости.
6. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме.
7. Во Вселенной существует бесконечное множество миров. Наш мир один из них.
8. Различие между вещами связано с различием их атомов по числу, величине, форме.

В Древнем Риме поэт и философ Тит Лукреций Кар (99-55 до н. э.) в своей знаменитой поэме «О природе вещей» изложил атомистическое учение греческого философа Эпикура. Представитель афинской школы Эпикур (341-270 до н. э.), а за ним Лукреций пытались существованием атомов объяснить все естественные и социальные явления. Лукреций рисует модель движения атомов, уподобляя его движению пылинок в солнечном луче в темной комнате. Это по существу одно из первых в истории естественных наук описание молекулярного движения.

В эпоху средневековья атомистические представления были полностью забыты и в науке более тысячи лет господствовало мистическое учение Аристотеля, утверждавшего, что основу мира составляли четыре начала - вода, земля, воздух и огонь.

Естественнонаучное мировоззрение древних получило свое развитие в трудах знаменитого философа того времени Аристотеля (384-322 до н. э.). В своем творчестве он охватил почти все существовавшие тогда отрасли знаний. Хотя Аристотель критиковал своего учителя философа-идеалиста Платона (427-347 до н. э.), он не был материалистом. Он признавал объективное существование материального мира и его познаваемость, но противопоставлял земной и небесный миры, верил и учил верить в существование божественных сил. Аристотель резко отвергал атомистическую теорию.

Бытие — живая субстанция, характеризующаяся специальными принципами или четырьмя началами (условиями) бытия:

• Материя — «то, из чего».
• Форма — «то, что». Создает формы разнообразных вещей из материи Бог (или ум-перводвигатель).
• Действующая причина (начало) — «то, откуда». Началом всех начал является Бог.
• Цель — «то, ради чего». Высшей целью является Благо.
• Бог – творец природы, у природы нет закона, закон есть у Бога

Аристотель считал, что все космические тела состоят из эфира, основного элемента природы, в котором изначально заложено совершенное движение по кругу. Естественный путь познания природы, учил Аристотель, идет от менее известного и явного для нас к более явному и известному с точки зрения природы вещей. Он рассматривал такие общие понятия, как материя и движение, пространство и время, конечное и бесконечное. В своей работе «Физика» Аристотель подробно разобрал взгляды своих предшественников – Анаксагора, Левкиппа, Демокрита и др. Он резко критиковал воззрения атомистов, признающих существование бесчисленного множества атомов и миров. По Аристотелю реальный мир конечен, ограничен и построен из «конечного числа» элементов. Понятие пустоты по Аристотелю противоречит действительности. Бесконечное разреженное пустое пространство ведет к бесконечному движению, а это, по мнению Аристотеля, невозможно.

«Канонизированное» учение Аристотеля в средние века надолго задержало развитие атомистических воззрений. И все же учение об атомах, атомистика, пройдя через многие века, выдержало ожесточенную борьбу и дошло до наших дней с более глубокими представлениями об атоме, полученными в результате огромного числа физико-химических экспериментов и исследований по физике атома.

Возвращение атомистических представлений стало возможным с началом эпохи Возрождения, благодаря трудам первых ученых - экспериментаторов. Огромную роль в этом сыграли исследования Роберта Бойля и Исаака Ньютона.

Р.Бойль более 10 лет проводивший различные эксперименты, написал книгу "Химик - Скептик", в которой доказал полную несостоятельность "начал Аристотеля".

В середине XV в. в экономическом, политическом и культурном развитии Европы начинают отчетливо проступать новые, самобытные черты.

Николай Коперник (1473-1543) сломал общепризнанную до того концепцию мироздания, по которой Земля считалась неподвижной по отношению к Солнцу. Коперник отбросил геоцентрическую систему Птолемея и создал гелиоцентрическую систему мироздания. Возникнув в астрономии, она распространилась и на физику, дав новый импульс развитию атомистических идей. Атомы неощутимы, считал Коперник, несколько атомов не составляют видимого тела. И все же число этих частиц можно так умножить, что их будет достаточно для слияния в заметное тело. Коперник вплотную подошел к материалистической атомистике. В эпоху Возрождения физические наблюдения и опыты еще не носили систематического характера, хотя и были достаточно широко развиты.

Началу использования в физике экспериментального метода положил Галилео Галилей (1564-1642), итальянский физик, механик, астроном, один из основателей естествознания. Галилей считал, что мир бесконечен, материя вечна. Материя состоит из абсолютно неделимых атомов, ее движение – единственное, универсальное механическое перемещение. Галилей экспериментально подтвердил ряд гипотез древних философов об атомах. В своих трудах он поддержал гелиоцентрическую систему мироздания, за что жестоко пострадал от католической инквизиции.

В XVIII и XIX вв. классическая физика вступила в период, когда многие ее положения стали подвергаться серьезному переосмыслению.

Михаил Ломоносов – первый русский профессор химии, автор первого русского курса физической химии.

В области физики он оставил нам ряд важных работ по кинетической теории газов, теории теплоты, оптике и др. Рассматривая основу химических явлений» Ломоносов на базе атомно-молекулярных представлений развивал учение о «нечувствительных» (т. е. неощутимых) частицах материи – «корпускулах» (молекулах). Он полагал, что всем свойствам вещества можно дать исчерпывающее объяснение с помощью представления о различных чисто механических движениях корпускул, состоящих из атомов. В химических работах Ломоносова важную роль играет атомистика, она – краеугольный камень его научного мышления. Ломоносов дал свою формулировку принципа сохранения материи и движения: « .все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому . Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает .» Введение понятия «корпускулы» наряду с понятием «элемента» (атома) означало признание того, что определенная совокупность атомов создает новое единство, действующее как целое, некий новый качественный «узел». Это была перспективная идея, ибо только через естествознание человечество могло прийти к идее развития, образования сложных форм вещества из соединения простых.

Самый характер соединения Ломоносов мыслил не как простое сложение составных элементов. Он подчеркивал, что природа новых образований зависит не только от того, какие элементы входят в эти образования (корпускулы), но и от того, каков характер связи между элементами. Ломоносов, приняв гипотезу о вращательном движении молекул-корпускул, вывел ряд следствий:

1. Частицы-корпускулы имеют шарообразную форму.
2. При более быстром вращении частиц теплота увеличивается, а при более медленном – уменьшается.
3. Горячее тело должно охлаждаться при соприкосновении с холодным и, наоборот, холодные тела должны нагреваться вследствие ускорения движения при соприкосновении.

Ломоносов критиковал теорию теплорода (или флогистона – не имеющей массы невесомой жидкости), которую он считал возвратом к представлениям древних об элементарном огне. По мысли Ломоносова, упругость газов (воздуха) является свойством коллектива атомов. Сами атомы «должны быть телесными и иметь продолжение», форма их «весьма близка» к шарообразной. Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц высказывались еще в XVI в. Бэконом, Декартом, Ньютоном, Гуком. Эту же идею разрабатывал и М. Ломоносов, однако он оставался почти в одиночестве, так как многие его современники были сторонниками концепции «теплорода». И только позднее Дэви и затем Юнг и Мор доказали, что теплота является формой движения и что следует рассматривать теплоту как колебательное движение частиц материи. Последующими работами Майера, Джоуля, Гельмгольца был установлен закон сохранения и превращения энергии.

Атомно-молекулярное учение о материи лежало в основе многих физических и химических исследований на всем протяжении истории науки. Со времени Бойля оно стало служить химии и было положено Ломоносовым в основу учения о химических превращениях.

Итальянский ученый Э. Торричелли (1608-1647) доказал существование атмосферного давления. Французский математик и физик Б. Паскаль (1623-1662) открыл закон: давление, производимое на поверхность жидкости внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.

Вместе с Г. Галилеем и С. Стевиным Блез Паскаль считается основоположником классической гидростатики. Он указал на общность основных законов равновесия жидкостей и газов. В 1703 г. немецкий ученый Г. Шталь (1659-1734) сформулировал теорию, точнее, гипотезу о природе горючести в веществах.

Английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел в химию атомистику, это дало основание Ф. Энгельсу сказать о работах Бойля: «Бойль делает из химии науку». Голландец X. Гюйгенс (1629-1695) вошел в историю науки как создатель подтвержденного экспериментами первого научного труда по волновой оптике – «Трактата о свете»; он был первым физиком, исследовавшим поляризацию света.

Наука о тепле потребовала точных температурных измерений. Появились термометры с постоянными точками отсчета: Фаренгейта, Делиля, Ломоносова, Реомюра, Цельсия.

А. Лавуазье (1743-1794) разработал в 1780 г. кислородную теорию, выявил сложный состав воздуха. Объяснил горение, тем самым доказав несостоятельность теории флогистона, который и М. В. Ломоносов исключал из числа химических элементов.

Работавший в Петербургской академии наук Л. Эйлер (1707-1783) установил закон сохранения момента количества движения, развил волновую теорию света, определил уравнения вращательного движения твердого тела.

Американский ученый Б. Франклин (1706-1790) разработал теорию положительного и отрицательного электричества, доказал электрическую природу молнии.

Английский физик Г. Кавендиш (1731-1810) и независимо от него французский физик Ш. Кулон (1736-1806) открыли закон электрических взаимодействий.

Итальянский ученый А. Вольта (1745-1827) сконструировал первый источник постоянного тока («вольтов столб») и установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением. Одним из первых трудов, посвященных описанию нового источника постоянного тока, была выпущенная в 1803 г. книга русского ученого В. Петрова «Сообщение о гальвано-вольтовых опытах».

Начало практическим исследованиям электромагнетизма положили работы датчанина X. Эрстеда, француза А. Ампера, русских ученых Д. М. Велланского и Э. Ленца, англичанина М. Фарадея, немецкого физика Г. Ома и др.

Крупнейший немецкий ученый Г. Гельмгольц (1821-1894) распространил закон сохранения энергии с механических и тепловых процессов на явления электрические, магнитные и оптические. Им был установлен ряд законов, касающихся газов, заложены основы кинетической теории газов, термодинамики, открыты инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

М. Фарадей (1791-1867) - английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле, электромагнитной индукции – открыл количественные законы электролиза.

В 1803 г. английский физик и химик Дж. Дальтон (1766-1844) опубликовал основополагающие работы по химической атомистике, вывел закон кратных отношений.

Дальтон ввел в науку, в частности в химию, понятие атомного веса (атомной массы), приняв за единицу вес водорода. По Дальтону, атом - мельчайшая частица химического элемента, отличающаяся от атомов других элементов своей массой. Он открыл явление диффузии газов (кстати, явление, которым примерно через сто лет воспользовались для получения высокообогащенного урана при создании ядерных бомб).

В XVII–XIX вв. атомы считались абсолютно неделимыми и неизменными частицами материи. Атомистика в значительной мере носила все еще абстрактный характер. В XIX в. большой вклад в разработку научной базы атомистики внесли такие ученые, как Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гиббс и др.

В недрах химической науки родилась гипотеза о строении всех атомов из атомов водорода. Именно химико-физики ближе всех подошли к пониманию физического смысла идей атомистики. Они постепенно приближались к выяснению природы атомизма, а последующие поколения ученых – к пониманию действительного строения атома и его ядра.

Предыстория познания атомного ядра начинается в 1869 г. с гениального открытия Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов.

Д. И. Менделеев (1834-1907) был первым, кто попытался классифицировать все элементы, и именно ему мы обязаны нынешним видом Периодической системы. Периодическая система элементов стала в конце прошлого века памятником упорству, труду и аккуратности в экспериментальной работе.

В Периодической системе Менделеева нашли отражение сложность структуры атома и значимость ранее неизвестных основных характеристик атомного ядра – его массового числа А и порядкового номера 2. В течение всей последующей истории ядерной физики периодический закон Менделеева, обогащенный новыми открытиями, служил путеводной нитью исследований. Именно с конца XIX в. подход к изучению атома стал действительно научным, имеющим экспериментальную основу. Никто из естествоиспытателей той эпохи не проник так глубоко в понимание взаимосвязи между атомами и молекулами, как Д. И. Менделеев. В 1894 г., когда еще не была ясна модель не только атома, но и молекулы, Менделеев выдвинул гипотезу о строении атома и молекулы. Положив в основу признание существования атомов и молекул, связи между материей и движением, он высказал мысль, что атомы можно представить себе как бесконечно малую Солнечную систему, находящуюся в непрерывном движении. Неизменность атомов, подчеркивал Менделеев, не дает исследователю никакого основания считать их «неподвижными» и «недеятельными в их внутренней сущности», атомы подвижны.

Менделеев показал, что развитие науки невозможно, если отказаться от признания объективной реальности атомов. Он подчеркивал глубокую внутреннюю связь между атомистическими воззрениями древних (Демокрита) и материалистической философией. Развитие классического учения Демокрита составило, по Менделееву, основу материализма.

Спустя почти 30 лет после появления Периодической системы Менделеева начала свое победное шествие новая наука – ядерная физика.

Атомистика конца XIX – начала XX в.

Гениальные догадки древних ученых о том. что все вещества состоят из атомов, к концу XIX в. полностью подтвердились. К тому времени также было установлено, что атом как единица любого вещества неделим (само слово «атом» по-гречески означает «неделимый»).

Немецкий физик В. Рентген (1845-1923) открыл в 1895 г. излучение, названное им Х-лучами (впоследствии они получили название рентгеновских лучей, или рентгеновского излучения). Он создал первые рентгеновские трубки и сделал анализ некоторых свойств открытого им излучения. Это открытие и последующие исследования сыграли важную роль в изучении строения атома, структуры вещества. Рентгеновское излучение нашло широкое применение в медицине, технике, в различных областях науки.

24 февраля 1896 г. французский физик А. Беккерель (1852-1908) на заседании Парижской Академии наук докладывал об открытии радиоактивности. Исследования радиоактивности проводили супруги Кюри. Всем веществам, которые способны излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название – радиоактивные (что означает способные испускать лучи). С открытия А. Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности берет свое начало новый раздел физики – ядерная физика.

Успехи физики XIX в. позволили существенно продвинуться в создании целостной системы, объединяющей механику Ньютона и электродинамику Максвелла и Лоренца. Теория электромагнитного поля, созданная Максвеллом, вошла в историю науки наряду с такими фундаментальными обобщениями, как ньютонова механика, квантовая механика. Процесс коренного преобразования физики подготавливался научными открытиями конца XIX в., сделанными В. Рентгеном (рентгеновские лучи, 1895 г.), А. Беккерелем (естественная радиоактивность урана, 1896 г.), Дж. Томсоном (открытие электрона, 1897 г., первая модель строения атома), М. Склодовской-Кюри (радиоактивные элементы – полоний и радий, 1898 г.), М. Планком (теория квантов, 1900 г.) и др. Выполненные к началу XX в. работы химиков и физиков, теоретиков и экспериментаторов, вплотную приблизили науку об атоме к проблеме высвобождения ядерной энергии атома.

Атомистика первой половины XX в.

Исследования по радиоактивности стали проводиться в России почти сразу после открытия Беккереля. Ученые И. И. Боргман (1900 г.) и А. П. Афанасьев исследовали свойства радиоактивного излучения, в частности лечебные свойства целебных грязей. В. К. Лебединский (1902 г.) и И. А. Леонтьев (1903 г.) изучали влияние радиоактивности на искровые разряды и определили одними из пер­вых природу гамма-лучей. Н. А. Орлов исследовал действие радия на металлы, парафин, легкоплавкие органические вещества. Кроме Петербургского университета такого рода работы велись в Медицинской академии, в университетах Новороссийска, Харькова и других городов. Важные результаты в этой области были получены В. А. Бородовским, Г. Н. Антоновым, Л. С. Коловрат-Червинским.

В 1900 г. немецкий физик-теоретик М. Планк (1858-1947) ввел новую универсальную постоянную, названную им элементарным квантом действия. Введя понятие кванта энергии, он сформулировал квантовую гипотезу, положив тем самым начало квантовой теории, или, коротко, атомизации действия. Впервые годы эта теория не имела «шумного успеха», пока ее не применил А. Эйнштейн и не показал ее незаменимость для понимания явлений, происходящих в микромире.

В 1911 г. Э. Резерфорд (1871-1937) сделал в Манчестере доклад «Рассеяние альфа- и бета-лучей и строение атома». X. Гейгер и Э. Марсден провели экспериментальную проверку идеи Резерфорда о строении атома. Они подтвердили существование ядра атома как устойчивой его части, несущей в себе почти всю массу ато­ма и обладающей положительным зарядом.

В 1913 г. Н. Бор (1885-1962) опубликовал серию статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике.

Многочисленные исследования, проведенные этими учеными позволили сформулировать основные положения молекулярно-кинетической теории – МКТ.

МКТ объясняет строение и свойства тел на основе закономерностей движения и взаимодействия молекул, из которых состоят тела.

В основе МКТ лежат три важных положения, подтвержденные экспериментально и теоретически.

1. Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул, в состав которых входят еще более мелкие элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны). Строение любого вещества дискретно (прерывисто).
2. Атомы и молекулы вещества всегда находятся в непрерывном хаотическом движении.
3. Между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания. Природа этих сил электромагнитная.

Эти положения подтверждаются опытным путем.

Опытное обоснование 1 положения.

Все тела состоят из мельчайших частиц. Во-первых, об этом говорит возможность деления вещества (все тела можно разделить на части).

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение.

Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном (1827 г.). В 1827 году англ. ботаник Броун, изучая внутреннее строение растений с помощью микроскопа обнаружил, что частички твердого вещества в жидкой среде совершают непрерывное хаотическое движение.

Тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частичек получило название броуновского движения.

Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую. Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном (1905 г.). Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Ж. Перрена (1908–1911 гг.).

Причиной броуновского движения является непрерывное хаотическое движение молекул жидкости или газа, которые , беспорядочно ударяясь со всех сторон о частичку, приводят её в движение. Причина броуновского движения частицы в том, что удары молекул о неё не компенсируются. Значит броуновское движение является еще и опытным обоснованием 2 положения МКТ.

Непрерывное движение молекул любого вещества (твердого, жидкого, газообразного) подтверждается многочисленными опытами по диффузии.

Диффузией называют явление самопроизвольного проникновения одного вещества в другое.

Если пахучее вещество (духи) внести в помещение, то через некоторое время запах этого вещества распространится по всему помещению. Это свидетельствует о том, что молекулы одного вещества без воздействия внешних сил проникают в другое. Диффузия наблюдается и в жидкостях, и в твердых телах.

При изучении строения вещества было установлено, что между молекулами одновременно действуют силы притяжения и отталкивания, называемые молекулярными силами. Это силы электромагнитной природы.

Способность твердых тел сопротивляться растяжению, особые свойства поверхности жидкости приводят к выводу , что между молекулами действуют силы притяжения.

Малая сжимаемость весьма плотных газов и особенно жидкостей и твердых тел означает, что между молекулами существуют силы отталкивания.

Эти силы действуют одновременно. Если бы этого не было, то тела не были бы устойчивыми: либо разлетелись бы на частицы, либо слипались.

Межмолекулярное взаимодействие – это взаимодействие электрически нейтральных молекул и атомов.

Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания. Зависимости результирующей силы F и потенциальной энергии E_p взаимодействия между молекулами от расстояния между их центрами качественно изображены на рисунке. При некотором расстоянии r = r₀ сила взаимодействия обращается в нуль. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы. Потенциальная энергия взаимодействия при r = r₀ минимальна. Чтобы удалить друг от друга две молекулы, находящиеся на расстоянии r₀, нужно сообщить им дополнительную энергию E₀. Величина E₀ называется глубиной потенциальной ямы или энергией связи.

Между электронами одной молекулы и ядрами другой действуют силы притяжения, которые условно принято считать отрицательными (нижняя часть графика). Одновременно между электронами молекул и их ядрами действуют силы отталкивания, которые условно считают положительными (верхняя часть графика). На расстоянии равном размеру молекул результирующая сила равна нулю, т.е. силы притяжения уравновешивают силы отталкивания. Это наиболее устойчивое расположение молекул. При увеличении расстояния притяжение превосходит силу отталкивания, при уменьшении расстояния между молекулами – наоборот.

Атомы и молекулы взаимодействуют и значит обладают потенциальной энергией.

Атомы и молекулы находятся в постоянном движении, и значит, обладают кинетической энергией.

Масса и размеры молекул

Большинство веществ состоит из молекул, поэтому для объяснения свойств макроскопических объектов, объяснения и предсказания явлений важно знать основные характеристики молекул.

Молекулой называют наименьшую устойчивую частицу данного вещества, обладающую его основными химическими свойствами.

Молекула состоит из ещё более мелких частиц – атомов, которые в свою очередь , состоят из электронов и ядер.

Атомом называют наименьшую частицу данного химического элемента.

Размеры молекул очень малы.

Порядок величины диаметра молекулы 1*10^{-8 см = 1*10-10 м}

Порядок величины объёма молекулы 1*10^{-20 м3}

О том что размеры молекул малы можно судить и из опыта. В 1 л (м³ ) чистой воды разведем 1 м³ зеленых чернил, тете разбавим чернила в 1 000 000 раз. Увидим, что раствор имеет зеленую окраску и вместе с тем однороден. Это говорит о том, что даже при разбавлении в 1 000 000 раз в воде находится большое количество молекул красящего вещества. Этот опыт показывает, как малы размеры молекул.

В 1 см³ воды содержится 3,7*10^-8 молекул.

Порядок величины массы молекул 1*10^{-23 г = 1*10-26}кг

В молекулярной физике принято характеризовать массы атомов и молекул не их абсолютными значениями (в кг), а относительными безразмерными величинами относительной атомной массой и относительной молекулярной массой.

По международному соглашению в качестве единичной атомной массы m₀ принимается 1/12 массы изотопа углерода ¹²С (m_0С):

m₀ =1/12 m_0С=1,66 *10^-27

Относительную молекулярную массу можно определить, если абсолютное значение массы молекулы (m_мол в кг) разделить на единичную атомную массу.

M₀ = m_мол / 1/12 m_0С

Относительная молекулярная (атомарная) масса вещества (из таблицы Менделеева)

⁷₁₄N Азот           M_0N = 14         M_0N2 = 28

Относительное число атомов или молекул, содержащихся в веществе характеризуется физической величиной, называемой количеством вещества.

Количество вещества ע – это отношение числа молекул (атомов) N в донном макроскопическом теле к числу молекул в 0,012 кгуглерода N_A

Количество вещества выражают в молях

Один моль – это количество вещества, в котором столько же молекул (атомов), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода.

Моль любого вещества содержит одинаковое число молекул. Это число называют постоянной Авогадро N_A =6, 02 * 10²³моль ^-1

Масса одного моля вещества называется молярной массой.

Число молекул в данной массе вещества: 

Масса вещества (любого количества вещества): 

Определение молярной массы: 

Лекция 06. Законы динамики Ньютона. Импульс.

Динамика – раздел механики, в котором изучают закономерности механического движения материальных тел под действием приложенных к ним сил и причины возникновения у тел ускорений.

Основная задача динамики состоит в том, чтобы по известным законам движения определить силы, действующие на тело.

Изменение скорости тела происходит под действием другого тела. Покажем это.

Опыт с тележками. К тележке прикрепим упругую пластинку. Затем изогнем ее и свяжем нитью. Тележка относительно стола находится в покое.

Станет ли двигаться тележка, если упругая пластинка выпрямится? Для этого перережем нить. Пластинка выпрямится. Тележка же останется на прежнем месте.

Затем вплотную к согнутой пластинке поставим еще одну такую же тележку.

Вновь пережжем нить. После этого обе тележки приходят в движение относительно стола. Они разъезжаются в разные стороны.

Чтобы изменить скорость тележки, понадобилось второе тело. Опыт показал, что скорость тела меняется только в результате действия на него другого тела (второй тележки). В нашем опыте мы наблюдали, что в движение пришла и вторая тележка. Обе стали двигаться относительно стола.

Тележки действуют друг на друга , т.е они взаимодействуют. Значит, действие одного тела на другое не может быть односторонним, оба тела действуют друг на друга, т. е. взаимодействуют.

Действие тел друг на друга называют взаимодействием.

Пуля также находится в покое относительно ружья перед выстрелом. При взаимодействии (во время выстрела) пуля и ружье движутся в разные стороны. Получается явление - отдачи.

Если человек, сидящий в лодке, отталкивает от себя другую лодку, то происходит взаимодействие. Обе лодки приходят в движение.

Если человек прыгает с лодки на берег, то лодка отходит в сторону, противоположную прыжку. Человек подействовал на лодку. В свою очередь, и лодка действует на человека. Он приобретает скорость, которая направлена к берегу.

Итак, в результате взаимодействия оба тела могут изменить свою скорость.

В повседневной жизни мы постоянно встречаемся с различными видами воздействий одних тел на другие. Чтобы открыть дверь, нужно «подействовать» на нее рукой, от воздействия ноги мяч летит в ворота, даже присаживаясь на стул, вы действуете на него. В то же время, открывая дверь, мы ощущаем ее воздействие на нашу руку, действие мяча на ногу особенно ощутимо, если вы играете в футбол босиком, а действие стула не позволяет нам упасть на пол. То есть действие всегда является взаимодействием: если одно тело действует на другое, то и другое тело действует на первое.

Эти  примеры  подтверждают  вывод  ученых о том, что в природе мы всегда имеем дело с вза­имодействием,  а не с односторонним действием.

Величину, характеризующую взаимодействие тел, называют сила.

Сила — физическая величина, которая количественно характеризует действие одного тела на другое.

F - обозначение силы

Сила – векторная величина; она характеризуется:

• модулем (абсолютной величиной);
• направлением;
• точкой приложения.

Измеряется при помощи прибора «динамометр».Простейший динамометр состоит из пружины с двумя крючками, закрепленной на дощечке. На дощечку нанесена шкала.

Единица измерения силы в Международной системе единиц (СИ) - Ньютон, обозначение [Н].

Если на тело одновременно действуют несколько сил (например,F1,F2 и F3) то под силой, действующей на тело, нужно понимать равнодействующую всех сил: F=F1+F2+F3

Равнодействующая сил – это сила, действие которой заменяет действие всех сил, приложенных к телу. Это векторная сумма этих сил, приложенных к телу.

Принцип суперпозиции сил: если тело взаимодействует одновременно с несколькими телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других тел.

Для заряженных тел:

Для тела, движущегося по поверхности:

В басне Крылова "Лебедь, рак и щука" они не могли сдвинуть телегу, т.к. равнодействующая сил, приложенных к телеге была равна нулю.

Основу динамики составляют три закона Ньютона, которые справедливы для макроскопических тел, скорость движения которых много меньше скорости движения света в вакууме.

Первый закон Ньютона - Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел скомпенсировано).

R=0; v=const

R - равнодействующая всех сил, приложенных к телу

v - скорость тела

Альтернативные формулировки:

1. Первый закон Ньютона - если на тело не действует внешняя сила, то тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
2. Первый закон Ньютона - материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного движения до тех пор, пока внешние воздействия не изменят этого состояния.

Первый закон Ньютона – закон инерции. Инерцией называют явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации.

Условия инерции:

а) если действия нет (R=0) – покой, v=0;

б) если действия скомпенсированы (R=0) – движение равномерное прямолинейное (v=const)

Системы отсчета, в которых выполняется Первый закон Ньютона, называются инерциальными системами отсчета. Все системы отсчета, движущиеся прямолинейно и равномерно относительно данной инерциальной системы отсчета, тоже являются инерциальными.

Инерциальная система отсчета (ИСО) – система отсчета относительно которой тело, при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации, движется прямолинейно и равномерно.

Явление инерции позволяет определить массу тел. Если два тела взаимодействуют между собой, то приобретаемые ими скорости зависят от массы этих тел. Чем тело массивнее, тем меньшую скорость оно приобретаем (говорят, что тело более инертное). Чем тело менее массивное, тем большую скорость оно приобретает (менее инертное). Вспомните, что проще сдвинуть яблоко или арбуз?

Опыт по столкновению двух тележек.

Отношение масс тел при их взаимодействии равно обратному отношению модулей ускорений:

Свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами, называется инертностью.

Одни тела более инертны, другие менее инертны (разгон легкового автомобиля и грузового, столкновение пластмассового шарика и стального – у какого шарика будет больше ускорение при столкновении? У пластмассового, т.к. он легче или, как говорят физики, менее инертен)

Опыт № 1. Инертность тела. (Объяснение опыта: любое тело старается сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Когда бумажную ленту тянут медленно, то за ней движется колба, если же ленту вырывают быстро она остается на месте, т.е. сохраняет состояние покоя.)

Опыт № 2. Инертность тела. (Объяснение опыта: Любое тело старается сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Если медленно двигать подставку, то шарик движется вместе с ней, а если резко выбить подставку шарик остается на месте.) 

Количественная мера инертности тела – масса тела.

Масса тела – это физическая величина, выражающая его инертность.

Любое тело обладает массой.Масса обозначается буквой m.

Единица измерения массы в СИ – 1 килограмм   [ кг ]. 

Килограмм - это масса эталона. Эталон килограмма находится в городе Севре около Парижа.

Измеряется масса с помощью весов (взвешиванием) и по ускорению при взаимодействии с эталоном.

Второй закон Ньютона — Ускорение тела пропорционально силе, действующей на тело и обратнопропорционально массе этого тела.

F — Сила действующая на тело

m — Масса тела

a — Ускорение тела

Альтернативная формулировка:

Второй закон Ньютона — Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение

Закон справедлив для любых сил

Из Второго закона Ньютона следует :

- приложенная к телу сила определяет его ускорение;

- сила – причина изменения движения (скорости);

Ускорение, приобретаемое материальной точкой в инерциальной системе отсчета:

- Прямо пропорционально действующей на точку силе;
- Обратно пропорционально массе точки;
- направление ускорения всегда совпадает с направлением силы;

Если на тело одновременно действуют несколько сил (например,F1,F2 и F3) то под силой в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил: F=F1+F2+F3

Третий закон Ньютона - Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению.

F₂ — Сила действующая на 2 предмет

F₁ — Сила действующая на 1 предмет

   Эти Силы :

- действуют вдоль одной прямой;
- направлены в противоположные стороны;
- равны по величине;
- приложены к разным телам, поэтому не уравновешивают друг друга;
- одинаковой природы.

   На картинке показан как действует третий закон Ньютона. Человек воздействует на груз с такой же по модулю силой, с какой груз действует на человека. Эти силы направлены в противоположные стороны. Они имеют одну и ту же физическую природу – это упругие силы каната. Сообщаемые обоим телам ускорения обратно пропорциональны массам тел.

   Третий закон выполняется во всех случаях при взаимодействии тел.

   Силы взаимодействия имеют одинаковую природу.

   Законы движения Ньютона устанавливают, утверждают, показывают:

1. Первый закон Ньютона утверждает, что существуют инерциальные системы отсчета, и позволяет их находить.
2. Второй закон Ньютона устанавливает связь между силой и вызванным ею ускорением.
3. Третий закон Ньютона показывает, что действие одного тела на другое носит взаимный характер.