Глава 11. Основы термодинамики

КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ,

ОРИЕНТИРОВАННЫЙ НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ)

(для студентов дневной и заочной формы обучения)

Код дисциплины - 0801

 

 

УТВЕРЖДЕНО

на заседании кафедры ФФМ

протокол № 4 от 1.12.2005г.

 

Зав. кафедрой ФФМ

д.х.н., проф. Александров В.Д.

 

г. Макеевка, ДонНАСА

УДК: 531.6(071)

Физика. Курс лекций по общей физике, ориентированный на строительные специальности.

Сост.: д.х.н., проф. В.Д.Александров; к.х.н., доц. И.В.Сельская; к.ф.-м.н., доц. М.А.Дулин; к.ф.-м.н., доц. В.В.Дремов; к.ф.-м.н., доц. Ю.Б.Ткаченко; к.ф.-м.н., доц. Н.Н.Голоденко; асс. В.А.Сорока. Под редакцией доктора химическихнаук,профессора Александрова В.Д.- г. Макеевка: ДонНАСА, 2005.- 414с.

 

Рецензенты: Тимченко В.И. к.ф.-м.н., доц., зав. каф. «Электротехника и

автоматика» Донбасской национальной академии

строительства и архитектуры.

 

Игнатенко П.И. д.ф.-м.н., профессор кафедры физики

твердого тела и материаловедения Донецкого

национального университета

 

Ответственная за выпуск: к.х.н., доц. Сельская И.В.

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

Механика

ГЛАВА 1. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

1.1. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения… 11

1.2. Скорость……………………………………………………………… 13

1.3. Ускорение и его составляющие………………………………… 15

1.4. Угловая скорость и угловое ускорение……………………………….17

ГЛАВА 2. ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

2.1. Первый закон Ньютона. Масса. Сила…………………………………20

2.2. Основной закон динамики поступательного движе­ния…………...21

2.3. Третий закон Ньютона…………………………………………………24

2.4. Силы в механике ………………………………………………………24

2.5. Закон сохранения импульса. Центр масс……………………………..29

ГЛАВА 3. ЭНЕРГИЯ, КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ МЕРА РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ДВИЖЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

3.1. Энергия, работа, мощность……………………………………………32

3.2. Кинетическая и потенциальная энергии…………………………….. 34

3.3. Закон сохранения энергии……………………………………………...38

ГЛАВА4. ДИНАМИКА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

4.1. Модель абсолютно твердого тела……………………………………...42

4.2. Момент силы…………………………………………………………….42

4.3. Пара сил …………………………………………………………………43

4.4. Простые машины………………………………………………………..44

4.5. Момент инерции………………………………………………………...45

4.6. Кинетическая энергия вращения………………………………………47

4.7. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела……...48

4.8. Момент импульса и закон его сохранения……………………………49

ГЛАВА5.ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА

5.1. Преобразования Галилея.

Механический принцип относительности………………………….52

5.2. Постулаты специальной (частной) теории относительности………..54

5.3. Преобразования Лоренца………………………………………………56

5.4. Следствия из преобразований Лоренца…………………………….57

5.5.Основной закон релятивистской динамики материальной точки……58

5.6. Закон взаимосвязи массы и энергии………………………………..60

ГЛАВА 6. ЭЛЕМЕНТЫ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

6.1. Давление в жидкости и газе……………………………………………62

6.2. Уравнение неразрывности…………………………………………...64

6.3. Уравнение Бернулли и следствия из него…………………………..65

6.4. Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей………..68

6.5. Движение тел в жидкостях и газах…………………………………….70

Основы молекулярной физики и термодинамики

ГЛАВА 7.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

7.1. Введение………………………………………………………………...72

7.2. Законы идеального газа………………………………………………...74

7.3.Уравнение Клапейрона – Менделеева……………………………….76

7.4. Основное уравнение молекулярно-кинетической

теории идеальных газов……………………………………………….78

ГЛАВА 8. ЗАКОН МАКСВЕЛЛА О РАСПРЕДЕЛЕНИИ МОЛЕКУЛ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ПО СКОРОСТЯМ И ЭНЕРГИЯМ

8.1. Введение………………………………………………………………...81

8.2. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа

по скоростям……………………………………………………………81

8.3. Барометрическая формула. Распределение Больцмана………………84

8.4. Среднее· число столкновений и средняя длина

свободного пробега молекул………………………………………….86

ГЛАВА 9. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

Силы и потенциальная энергия межмолекулярного

взаимодействия ………………………………………………………… 88

9.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса …………………………………… ……..90

9.3. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ……………………………...92

9.4. Внутренняя энергия реального газа………………………………….94

ГЛАВА 10. СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

10.1. Поверхностное натяжение…………………………………………….96

10.2. Явление смачивания…………………………………………………100

10.3. Давление под искривленной поверхностью жидкости…………….102

10.4. Капиллярные явления………………………………………………..103

ГЛАВА 11. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

11.1. Введение……………………………………………………………...105

11.2. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного

распределения энергии по степеням свободы молекул……………….106

11.3. Первое начало термодинамики…………………………………….108

11.4. Работа газа при изменении его объема……………………………110

11.5. Теплоемкость………………………………………………………...111

11.6. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам……113

ГЛАВА 12. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.

12.1. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы…….118

12.2. Энтропия, ее статистическое толкование…………………………...120

12.3.Второе начало термодинамики……………………………………..123

12.4. Тепловые двигатели и холодильные машины.

Цикл Карно и его к. п. д. для идеального газа………………………124

Электричество и магнетизм

ГЛАВА 13. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ

13.1. Атомистичность заряда. Закон сохранения заряда………………...128

13.2. Закон Кулона………………………………………………………….129

13.3. Поток вектора напряженности………………………………………130

13.4. Теорема Гаусса……………………………………………………….132

13.5. Поле бесконечной однородно заряженной плоскости……………..134

13.6. Поле двух разноименно заряженных плоскостей………………….135

13.7. Поле бесконечно заряженного цилиндра…………………………...136

13.8. Работа сил электростатического поля…………………………...….137

13.9. Потенциал………………………………………………………….....138

13.10. Связь между напряженностью электрического поля

и потенциалом……………………………………………………..140

13.11. Эквипотенциальные поверхности…………………………………142

13.12. Применение электростатики в строительстве ……………………142

13.12.1.Покрытия, основанные на электростатических принципах…142

13.12.2.Строительные технологические процессы, которые

сопровождаются образованием электростатических полей…….143

ГЛАВА 14. ДИЭЛЕКТРИКИ. ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ

14.1. Полярные и неполярные молекулы…………………………………145

14.2. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях…….147

14.3. Поляризация диэлектриков……………………………………….…149

14.4. Поле внутри плоской пластины………………………..……………151

14.5. Электроемкость………………………………………………………152

14.6. Конденсаторы………………………………………………...………153

14.7. Энергия системы зарядов……………………………………………154

14.8. Энергия заряженного конденсатора………………………...………155

14.9. Энергия электрического поля………………………………….……155

ГЛАВА 15. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

15.1. Сила и плотность тока………………………………………….……157

15.2. Сторонние силы. ЭДС. ……………………..………………….…….158

15.3. Закон Ома…………………………………………………….….……160

15.4. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа…………….……….…….163

ГЛАВА 16. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКОВ

16.1.Закон Ампера………………………………………….………………165

16.2. Магнитное поле. Закон Био–Савара–Лапласа……………….…......166

16.3. Работа перемещения контура с током в магнитном поле………...169

16.4. Сила Лоренца……………….…………………….…………………..171

16.5. Влияние магнитных полей на живые организмы…….………….…172

ГЛАВА 17. ПОТОК ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.

ТЕОРЕМА ГАУССА

17.1 Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком)…….173

17.2. Токи при замыкании и размыкании цепи…………………………..176

ГЛАВА 18. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ.

18.1. Магнитные моменты электронов и атомов…………………………179

18.2. Магнитные свойства вещества. Ферромагнетизм …………………181

18.3. Диамагнетизм………………………………………………………....182

18.4. Парамагнетизм………………………………………………………..183

Колебания и волны

ГЛАВА 19. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

19.1.Гармонические колебания и их характеристики……………………184

19.2. Дифференциальное уравнение свободных колебаний…………….186

19.3.Скорость и ускорение гармонических колебаний…………………..190

19.4. Энергия колебаний………………………………..………………….192

19.5.Сложение гармонических колебаний

вдоль одного направления с одинаковой частотой…………………193

19.6. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний………………...195

ГЛАВА 20. ЗАТУХАЮЩИЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

20.1. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний………..…197

20.2. Вынужденные колебания………………………………………..…..202

20.3.Резонанс вынужденных колебаний……………………………….....204

ГЛАВА 21. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

21.1 Свободные электромагнитные колебания……………………….….207

21.2.Затухающие колебания в электрическом колебательном контуре...210

21.3.Вынужденные электромагнитные колебания……………………….211

21.4.Переменный электрический ток………………………………….….212

21.5.Резонанс токов и напряжение в цепи переменного тока…………..216

21.6. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока…………………220

ГЛАВА 22. УПРУГИЕ ВОЛНЫ

22.1.Волновые процессы. Продольные и поперечные волны…………...222

22.2.Уравнение бегущей волны………………………………………..….224

22.3. Фазовая скорость бегущей волны………………….…………….…225

22.4.Принцип суперпозиции волн. Групповая скорость………………...227

22.5.Интерференция волн……………………………………………….…228

22.6.Стоячие волны……………………………………………………...…230

ГЛАВА 23. АКУСТИКА

23.1. Основные характеристики звуковых волн……………………….…….232

23.2. Эффект Доплера………………………….……..……………………238

23.3.Применение ультразвука………………..………………………...….240

ГЛАВА 24. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

24.1.Экспериментальное получение электромагнитных волн…………..245

24.2.Дифференциальное уравнение электромагнитной волны………….247

24.3. Энергия электромагнитных волн.

Импульс электромагнитного поля………………………………….249

Оптика

ГЛАВА 25. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ

25.1. Основные законы оптики. Полное отражение……………………...252

25.2. Поглощение и рассеяние света………………………………………255

25.3. Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз………...257

25.4. Оптические приборы, используемые в строительной технике……260

24.5.1. Теодолиты……………………………………………………261

24.5.2. Микроскоп…………………………………………………...261

24.5.3. Элементы электронной оптики……………………………..263

ГЛАВА 26. ПРИРОДА СВЕТА И ЕГО СВОЙСТВА.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

26.1. Развитие представлений о природе света…………………………..264

26.2. Интерференция света……………………………………….………..266

26.3. Кольца Ньютона…………………………………………….………..268

26.4. Применение интерференции света..………………………………...269

ГЛАВА 27. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

27.1. Принцип Гюйгенса — Френеля..…………….……………………...272

27.2. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света..…...272

27.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске..……………...275

27.4. Дифракция Фраунгофера на одной щели..………………………….277

27.5. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке..…………...279

27.6. Понятие о голографии..…………….…………………...…………...281

ГЛАВА 28. РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗ

28.1. Рентгеновские лучи..…………….…………………........…………...283

28.2. Источники рентгеновских лучей..…………….………………….....284

28.3. Основные методы рентгеноструктурного анализа..…….……….…287

ГЛАВА 29. ДИСПЕРСИЯ И ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

29.1. Видимый свет..…………….…………………........………….............292

29.2. Дисперсия света..…………….…………………........………….........292

29.3. Естественный и поляризованный свет..…………….………………295

29.4. Вращение плоскости поляризации..…………….……………..........298

29.5. Применение поляризационных микроскопов..…………….…….....300

ГЛАВА 30. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОТЕХНИКИ

30.1. Энергия излучения. Поток излучения

Спектральная плотность потока излучения………..………...….....301

30.2. Кривая относительной спектральной чувствительности глаза……302

30.3. Телесный угол. Сила излучения………..…………………..…….....303

30.4. Сила света………..…………………………………….…….…….....304

30.5. Световой поток. Связь между энергетическими и

световыми величинами………..………………………..……..….....305

30.6. Освещенность………..……………………………....…….................305

30.7. Яркость………..…………………..……………..…………………....306

30.8. Светимость………..…………………………..…..…………….….....308

30.9. Законы освещенности………..…………………………..…..……....309

30.10. Фотометры………..………………………………..……….…….....312

ГЛАВА 30. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

31.1. Характеристики теплового излучения……………..……….……....315

31.2. Закон Кирхгофа……………..……….…….........................................317

31.3. Законы Стефана — Больцмана и смещения Вина……………….…318

31.4. Формулы Рэлея-Джинса и Планка.…….............................................320

31.5. Оптическая пирометрия.……..............................................................322

31.6. Тепловые источники света.…….........................................................323

31.7. Теплообмен излучением между поверхностями в помещении…...324

ГЛАВА 32. ФОТОЭФФЕКТ. ДВОЙСТВЕННАЯ ПРИРОДА СВЕТА

32.1. Виды фотоэлектрического эффекта

Законы внешнего фотоэффекта………………………………….…325

32.2. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта…………….327

32.3. Масса и импульс фотона. Давление света…………….……………328

32.4. Эффект Комптона и его элементарная теория……………………..329

32.5. Применение фотоэффекта…………….…………….……………….332

ГЛАВА 33. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

33.1. Корлускулярно-волновой дуализм свойств вещества………….….335

33.2. Соотношение неопределенностей Гейзенберга………………...….336

33.3. Волновая функция и ее статистический смысл………………...….338

33.4 Уравнение Шредингера………………….………….…………….….339

33.5. Частица в одномерной прямоугольной

«потенциальной яме с бесконечно высокими «стенками» ………...340

33.6. Туннельный эффект…………………………………………...….….342

ГЛАВА 34. ТЕОРИЯ АТОМА ВОДОРОДА ПО БОРУ.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ АТОМА ВОДОРОДА

34.1. Модель атома Резерфорда-Бора………………………………….….344

34.2. Постулаты Бора…………………………………………...….……...346

34.3. Спектр атома водорода по Бору……………………………………..347

34.4. Атом водорода в квантовой механике……………………………....350

34.5. Спин электрона………………………………………………...….….354

34.6. Спектры. Спектральный анализ……………………………………..355

 

ГЛАВА 35. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

35.1. Кристаллы. Связи между атомами и молекулами

в твердых телах……………………………………………………....358

35.2. Зоны энергетических уровней электронов в кристалле…………...360

35.3. Проводники, полупроводники и диэлектрики по зонной теории...361

35.4. Собственная проводимость полупроводников……………………..362

35.5. Уровень Фéрми……………………………………………………….364

35.6. Температурная зависимость электропроводности

полупроводников…………………………………………………….364

35.7. Примесная проводимость……………………………………………368

35.8. Электронно-дырочный переход……………………………………..372

35.9. Полупроводниковый диод…………………………………….……..376

35.10. Транзистор…………………………………………………………..377

35.11. Микроэлектроника………………………………………………….380

35.12. Фоторезистор………………………………………………………..381

35.13. Терморезистор………………………………………………………382

35.14. Фотодиод…………………………………………………………….383

35.15. Светодиод……………………………………………………………384

35.16. Полупроводниковый лазер…………………………………………385

35.17. Тензорезистивный эффект………………………………………….386

35.18. Эффект Зеебека…………………………………………………..….387

35.19. Эффект Пельтье……………………………………………………..389

35.20. Эффект Томсона………………………………………………….…390

ГЛАВА 36. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АТОМНОГО ЯДРА

36.1. Размер, состав и заряд атомного ядра………………………………391

36.2. Дефект массы и энергия связи ядра………………………….……...392

36.3. Ядерные силы. Модели ядра………………………….……………..394

36.4. Радиоактивное излучение и его виды………………………….…...396

36.5. Закон радиоактивного распада. Правила смещения……….………398

36.6. Законы сохранения при ядерных реакциях…………………………401

36.7. Цепная реакция деления………………………….………………….403

36.8. Ядерная энергетика………………………….……………………….406

36.9. Термоядерный синтез………………………….…………………….408

36.10. Бытовые источники ионизирующего излучения………………….410

ЛИТЕРАТУРА………………………….……………………. 412

Механика