МКТ

МКТ
15.1. Основные положения МКТ и их опытные обоснования. Броуновское
движение. Диффузия. Размер и масса молекул. Постоянная Авогадро.
Основные положения:
а) Все тела состоят из мельчайших частиц.
б) Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении.
в) Частицы взаимодействуют друг с другом: на малых расстояниях притягиваются,
на совсем малых – отталкиваются.
Опытное обоснование - объяснение различных наблюдаемых явлений:
а) явление диффузии.
б) проявление сил упругости
в) броуновское движение (формула (закон) Эйнштейна и её подтверждение
опытами Перрена)
Желательно не только знать характерные размеры и массы атомов и молекул, но и
уметь оценивать их «на пальцах».
Закон и постоянная Авогадро.
10.1. Измерение скорости молекул. Опыт Штерна и его результаты.
Опыт указывает на связь температуры и скорости движения частиц (например
зависимость скорости диффузии от температуры). Температура у тела одна, но
скорости разные Скорости у частиц не могут быть одинаковые, т.к. при
столкновениях они меняются. Максвелл теоретически рассчитал распределение
молекул по скоростям – нарисовать график и прокомментировать:
а) при фиксированной температуре скорость отдельных молекул меняется, а
распределение – нет,
б) при любой температуре существуют молекулы со сколь угодно малыми и очень
большими скоростями,
в) при увеличении температуры максимум кривой Максвелла (наиболее вероятная
скорость) сдвигается вправо.
Экспериментальное подтверждение распределения Максвелла – опыты Штерна.
Описать установку, желательно получить формулу, результат и выводы (основной
вывод – опытное подтверждение МКТ).
1.1. Модель идеального газа в молекулярно-кинетической теории. Вывод
основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа.
Два подхода к описанию свойств тел:
а) термодинамический – в основе экспериментально устанавливаемые связи между
макроскопическими параметрами.
б) молекулярно-кинетический – свойства тел выводятся из предположения о
строении вещества из частиц и характера взаимодействия этих частиц.
Основное уравнение МКТ устанавливает связь между давлением газа, концентрацией
частиц газа (макроскопические параметры), массой частиц (молекул) и скоростью
их движения (микроскопические параметры).
Уравнение выводится при следующих предположениях (модель идеального газа):
а) размером молекул можно пренебречь;
б) между молекулами отсутствуют силы притяжения;
в) молекулы взаимодействуют только при непосредственном упругом соударении
г) все направления движения частиц равноправны, т.е. молекулы движутся
хаотически. (Существуют другие формулировки.)
Вывод уравнения – П15. Различные виды основного уравнения МКТ:
1
2
1
p  nm0 v 2  nEк   v 2 .
3
3
3
Вопросы:
Имеется два сосуда с одинаковым числом молекул газа в них. В каком случае давления
в них будут одинаковыми?
Почему молекула при соударении со стенкой действует на неё с силой
пропорциональной скорости, а создаваемое ударами молекул давление газа
пропорционально квадрату скорости?
Какой вид имело бы основное уравнение МКТ для «одномерного» идеального газа,
молекулы которого могут двигаться только вдоль одной прямой,
перпендикулярной стенке сосуда?
2.1. Уравнение состояния идеального газа. Уравнение Менделеева-Клапейрона.
Изопроцессы. Графики изопроцессов.
Газовые законы устанавливают зависимость между различными парами параметров,
описывающих состояние газа, открыты экспериментально Бойлем, Мариоттом,
Шарлем и Гей-Люсаком. Принимают наиболее простой вид после введения
абсолютной температуры, которую в этом билете можно ввести упрощённо, по
графику (более строго в билете 3). Все 3 закона можно объединить в один
pV/T=const. (При большом желании эту часть можно опустить)
Уравнение pV/T=const, называемое объединённым газовым законом (если была
опущена первая часть, то пояснить смысл названия) впервые было использовано
Клапейроном. Значение const для одного моля газа. Различные виды уравнения МК (уравнения состояния, пояснить, почему так называется) для произвольного
количества газа. (Ур. М-К может быть получено из основного уравнения МКТ
после введения температуры: p=nkT).
Количество макропараметров для описания состояния газа (из Ур. Сост.). Частные
случаи: меняются только 2 параметра – изопроцессы, совпадают с газовыми
законами. Для каждого изопроцесса привести вид графиков в различных
координатных плоскостях с пояснениями.
3.1. Тепловое равновесие. Температура и её измерение. Температура как мера
средней кинетической энергии молекул.
Макроскопические параметры и тепловое равновесие. Параметр, который становится
общим для двух тел после наступления термодинамического равновесия –
температура. Способы измерения температуры и их недостатки.
Опыт: p/n=const при различных условиях, где const зависит только от температуры.
2
Сравнивая с основным уравнением МКТ: const= E к , т.е. температура является
3
мерой средней кинетической энергии частиц. Т.к. температуру привыкли измерять
в градусах, то постоянная Больцмана const(100оС) - const(0оС)=k(100 - 0) является
коэффициентом перехода от градусов к джоулям. Абсолютная шкала (Кельвина) –
нулевая температура соответствует нулевой кинетической энергии (недостижимое
состояние): Т=273+t. Сказанное соответствует закону Шарля р=ро(1+t/273) на
основании которого создаются наиболее точные газовые термометры.
ТЕРМОДИНАМИКА
7.1. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии. Виды
теплопередачи. Внутренняя энергия идеального газа.
(Необязательное введение. Также как макротела обладают кинетической и
потенциальной энергией, так и частицы из которых состоит вещество обладают
кинетической энергией движения потенциальной энергией взаимодействия.
Каждую частицу можно разделить на более мелкие и рассматривать их энергию
и т.д. Поэтому обычно говорят не о полной внутренней энергии, а либо о её
изменении, либо об энергии наиболее крупных структурных частиц.)
Определение внутренней энергии тела – не входит кинетическая и потенциальная
энергия как целого. Два способа изменения внутренней энергии: совершение
работы и теплопередача (теплопроводность, конвекция, излучение). Всё с
примерами (чайник). Знать механизмы этих явлений и их условия протекания.
Для идеального газа потенциальная энергия взаимодействия частиц пренебрежимо
мала, т.е. внутренняя энергия сводится к кинетической энергии хаотического
движения частиц. Если газ одноатомный, то внутренняя энергия зависит только от
его количества и от температуры (формула). Если газ многоатомный, то
зависимость от температуры несколько меняется, т.к. энергия вращательного
движения не сказывается на температуре.
6.1. Количество теплоты. Удельная теплота плавления и отвердевания. Удельная
теплота парообразования и конденсации. Уравнение теплового баланса.
Количество теплоты – энергия, переданная телу в процессе теплопередачи.
Температура плавления и кристаллизации. Определение удельной теплоты
плавления (при температуре плавления).
Испарение и кипение. Температура кипения. Удельная теплота парообразования.
Можно нарисовать (с формулами) диаграмму зависимости температуры от
количества теплоты.
Переход вещества из одного фазового состояния в другое при фиксированной
температуре можно объяснить на графике зависимости энергии частиц от
расстояния между ними.
Закон сохранения энергии и его частный случай – тепловой баланс. Про уравнение
можно говорить, ссылаясь на диаграмму.
12.1. Теплоемкость идеального газа в различных процессах.
Теплоёмкость, удельная теплоёмкость – молярная теплоёмкость. Зависимость
теплоёмкости газа от процесса. (Примеры процессов, в которых молярная
теплоёмкость равна нулю, бесконечности или отрицательна). Молярная
теплоёмкость одноатомного идеального газа в изохорном и изобарном процессе (их
связь.
Замечательно было бы привести в пример простую задачу по определению
теплоёмкости.
4.1. Работа в термодинамике. Первый закон термодинамики. Применение первого
закона термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу.
Исследуя взаимные превращения механической энергии в тепло Майер и Джоуль
пришли к закону сохранения энергии (формулировка). ЗСЭ в применении к
тепловым процессам – первое начало термодинамики.
Из механики известно, что совершённая над телом работа ведёт к изменению его
кинетической энергии. В термодинамике внутренняя энергия тела может меняться
ещё и за счёт теплопередачи – первое начало т.д. ΔU=Q (+–)A. (пояснить, какая
работа?) Для работы газа при изменении объёма справедлива формула A=pΔV
(цилиндр с поршнем), (применение формулы, если р не константа? (площадь на
графике)).
Используя эту формулу рассматриваем частные случаи: изотермический (ΔU=0),
изохорный (ΔV=0), изобарный (р=const), адиабатический (Q=0).
11.1. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Вечный
двигатель второго рода.
Процессы, которые не противоречат закону сохранения энергии, но не происходят в
природе – необратимые процессы. Самопроизвольные процессы, вечный двигатель
второго рода. Формулировки второго закона термодинамики (и, если можно, их
эквивалентность).
Если получится – статистическое объяснение (старый учебник)
13.1. Тепловой двигатель. Принцип действия теплового двигателя. Цикл Карно.
КПД теплового двигателя и способы его повышения.
Назначение теплового двигателя. Простейший способ превращения тепла в
механическую работу. Проблема, связанная с цикличностью. Принцип действия –
нагреватель и холодильник. (Описание устройства и работы двигателя внутреннего
сгорания. Типы тепловых двигателей.) Общая формула для КПД тепловых
двигателей.
Машина Карно, цикл Карно, её значение. КПД машины Карно, его физический смысл.
Испарение и конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар. Свойства
насыщенного пара. Влажность воздуха. Точка росы.
Испарение и конденсация. Динамическое равновесие. Насыщенный и ненасыщенный
пар. График зависимости давления насыщенного пара от температуры. Газ и пар.
Изотерма пара. Плотность и давление насыщенного пара, от чего зависит.
Абсолютная и относительная влажность воздуха. Точка росы, как по ней определить
влажность.
(Доп. вопросы: испарение и кипение, образование тумана.)
5.1.
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА (МКТ + ТЕРМОДИНАМИКА)
16.1. Твердые тела и их механические свойства (хрупкость, пластичность,
твердость). Деформация. Механическое напряжение. Закон Гука. Модуль Юнга.
Диаграмма растяжения.
8.1. Поверхностное натяжение. Сила поверхностного натяжения. Влияние
примесей на коэффициент поверхностного натяжения.
9.1. Строение кристаллов. Анизотропия кристаллов. Монокристаллы и
поликристаллы. Аморфные тела и их свойства.
14.1. Смачивание и несмачивание. Капиллярность. Высота поднятия жидкости в
капилляре.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
2.2. Электрический заряд. Взаимодействие зарядов. Элементарный заряд. Закон
сохранения заряда. Электризация и способы электризации тел.
Электрическое взаимодействие – описать, а лучше показать (бумажки, ручка, расчёска,
можно взять электрометр). Не сводится к уже известным взаимодействиям. Если
тело может участвовать в электрическом взаимодействии, говорят, что оно
обладает электрическим зарядом. К понятию электрического заряда привела
возможность передачи электрических свойств от одного тела к другому, а также
(позже) его дискретность. Единица измерения эл. заряда – Кл, определяется через
ток. Системы неподвижных зарядов изучает электростатика.
Свойства электрических зарядов:
а) существует два вида зарядов (отталкиваются, притягиваются);
б) величина электрического заряда не зависит от выбора СО (инвариантность);
в) существует минимальный (по модулю) электрический заряд (дискретность);
г) общий заряд системы тел равен сумме зарядов тел, входящих в систему
(аддитивность);
д) выполняется закон сохранения заряда: в замкнутой системе тел алгебраическая
сумма зарядов – величина постоянная.
Носителем элементарного отрицательного (минимального) электрического заряда
является электрон (открыт в начале ХХ века Милликеном и Иоффе),
положительного – протон. Их заряды равны (по модулю) 1,6*10-19 Кл. Существуют
и другие заряженные частицы.
В состав любого вещества входит огромное число заряженных частиц. Тело заряжено,
если в нём число частиц одного знака больше чем число частиц другого знака, в
противном случае тело не заряжено (нейтрально). Электризация – процесс, в
результате которого тела приобретают электрический заряд. Виды электризации:
а) трением;
б) соприкосновением;
в) наведением (электростатическая индукция);
г) ударная (пучком частиц);
д) светом (фотоэффект).
При электризации не происходит порождение зарядов,- происходит их
перераспределение между телами.
Пинский 38.
16.2. Опыт Кулона. Закон Кулона.
Общий вид крутильных весов, используемых Кулоном для исследования
электрических сил. Формула закона Кулона (хорошо в векторном виде с
чертежом). Можно провести параллель с законом всемирного тяготения.
Для каких тел справедлив закон Кулона. Принцип суперпозиции кулоновских сил.
Влияние среды на силу Кулона.
Высокий уровень – параллель с теоремой Гаусса.
2.2. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Линии
напряженности. Электрическое поле точечного заряда. Однородное электрическое
поле.
Различные варианты объяснения взаимодействия двух тел: соприкосновение
(близкодействие), дальнодействие, поле. Электрическое поле – силовое, т.е.
проявляет себя через действие силы. Силовая характеристика ЭП – напряжённость
(формула). (Пробный заряд.) Графическое представление электрического поля –
силовые линии (определение), их свойства.
Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции. Однородное
электрическое поле, как его можно получить.
12.2. Работа сил электрического поля. Работа в однородном поле и в поле точечного
заряда. Работа поля и потенциальная энергия поля.
Потенциальные (консервативные) силовые поля. (Однородное электрическое поле и)
поле точечного электрического заряда консервативны, следовательно, любое
электростатическое поле консервативно (принцип суперпозиции) и для него можно
ввести понятие потенциальной энергии, которая характеризует не только поле, но и
заряд, находящийся в этом поле.
Потенциальная энергия двух точечных зарядов (желательно уметь выводить).
3.2. Потенциал и разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности. Связь
между напряженностью электрического поля и разностью потенциалов.
Энергетическая характеристика эл. поля – потенциал (отношение пот. энергии заряда к
величине этого заряда).
Эквипотенциальные поверхности: дать определение, нарисовать несколько случаев.
Эквипотенциальность поверхности проводника. Взаимное расположение силовых
линий эл. поля и эквипотенциальных поверхностей. Связь между напряженностью
электрического поля и разностью потенциалов в однородном поле. Обобщение этой
формулы для любого случая.
5.2. Электрическая емкость. Конденсаторы. Ёмкость плоского конденсатора.
Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Энергия заряженного
конденсатора.
(Необязательно – ёмкость изолированного проводника.)
Назначение конденсаторов, их устройство. Чему равен и как расположен заряд
конденсаторов. Ёмкость плоского конденсатора.
Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. (Можно вывести для
двух конденсаторов и обобщить через параллель с резисторами.)
Энергия заряженного конденсатора. Энергия заряженного конденсатора (через график).
(Несоответствие энергии, отданной источником тока и полученной конденсатором
при зарядке.)
Диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков.
Диэлектрическая проницаемость.
Проводники и диэлектрики. Полярные (диполь) и неполярные молекулы. Поляризация
диэлектриков в электрическом поле. Электрическое поле внутри диэлектриков и
диэлектрическая проницаемость.
Применение диэлектриков – изоляторы. (Остаточная поляризация и её использование.
Спонтанная поляризация. Сегнетоэлектрики и пьезокристаллы. (В старом
учебнике))
4.2.
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
13.2. Взаимодействие проводников с током. Закон Ампера. Магнитное поле.
Индукция магнитного поля. Сила Ампера.
14.2. Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции. Магнитный поток.
Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
15.2. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
7.2. Электрический ток. Условия существования электрического тока. ЭДС. Закон
Ома для полной цепи. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.
11.2. Природа электрического тока в металлах. Скорость упорядоченного
движения электронов в проводнике. Зависимость удельного сопротивления
металлов от температуры. Сверхпроводимость.
8.2. Электрический ток в электролитах. Законы электролиза. Применение
электролиза.
9.2. Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряд.
Виды самостоятельного разряда. Понятие о плазме.
10.2. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Вакуумный диод.
Электронно-лучевая трубка.
6.2. Электрический ток в полупроводниках. Зависимость удельного
сопротивления полупроводников от температуры. Собственная и примесная
проводимость полупроводников. P-n переход. Полупроводниковый диод и его
применение.