ОТНОШЕНИЕ СИЛ
ОТНОШЕНИЕ РАССТОЯНИЙ — ОТНОШЕНИЕ РАССТОЯНИЙ, величина, описывающая работу простого МЕХАНИЗМА, которая представляет собой отношение расстояния, пройденного точкой приложения усилия (исходной силы), к расстоянию, пройденному точкой приложения нагрузки (выходной силы). см … Научно-технический энциклопедический словарь
отношение вязкостных сил к капиллярным силам — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN capillary number … Справочник технического переводчика
Отношение к нанотехнологиям в обществе — Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия
Отношение к нанотехнологии в обществе — Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия
ОТНОШЕНИЕ К ПРИРОДЕ — одна из сфер общественной жизнедеятельности человека, заключающая в себе нравственно ценностное содержание (Этика и экология). О. к п. зависит от господствующего в об ве способа производства, осуществляется на основе общественных связей между… … Словарь по этике
ОТНОШЕНИЕ К ТРУДУ — экономическая и этическая категория, раскрывающая как объективное положение трудящихся в производственном процессе, форму их участия в общественном труде, так ц субъективное их отношение к своей общественно полезной деятельности. В экономическом… … Словарь по этике
Момент сил — Момент силы (синонимы: крутящий момент; вращательный момент; вращающий момент) физическая величина, характеризующая вращательное действие силы на твёрдое тело. Момент силы приложенный к гаечному ключу Отношение между векторами силы, момента силы … Википедия
Еврейские погромы Вооружённых сил Юга России — Часть серии статей об антисемитизме … Википедия
Флаг Военно-воздушных сил России — Флаг Военно воздушных сил Российской Федерации ВВС России Россия … Википедия
Союз правых сил — Проверить нейтральность. На странице обсуждения должны быть подробности. У этого термина существуют и другие значения, см. СПС (значения) … Википедия
Что такое соотношение в физике
В физике понятие «соотношение» используется для описания зависимости между двумя или более величинами. Оно позволяет установить связь между различными параметрами и определить их взаимодействие. Соотношение в физике выражается с помощью математических формул и уравнений.
Соотношение может быть прямым или обратным. В прямом соотношении изменение одной величины приводит к изменению другой величины в том же направлении. Например, при увеличении массы тела сила трения также увеличивается.
Пример прямого соотношения:
Сила = масса × ускорение
Чем больше масса тела, тем большей силой оно действует на другие объекты при данном ускорении.
В обратном соотношении изменение одной величины приводит к изменению другой величины в противоположном направлении. Например, при увеличении длины проволоки сопротивление ее увеличивается.
Пример обратного соотношения:
Сопротивление = сопротивляемость × длина
Чем длиннее проволока, тем больше сопротивление, которое она создает потоку электрического тока.
Соотношения в физике играют важную роль в понимании законов природы и предсказании результатов физических явлений. Они позволяют установить зависимость между измеряемыми величинами и рассчитать их значения на основе известных данных.
Что такое соотношение в физике?
Соотношение в физике – это математическое выражение, которое показывает зависимость одной физической величины от другой или нескольких других величин. С помощью соотношений можно описывать различные физические законы и закономерности.
Соотношения в физике используются для выявления зависимостей между различными параметрами системы. Они позволяют установить математическую связь между физическими величинами и обеспечивают возможность предсказывать поведение системы при изменении параметров.
Примеры соотношений в физике включают формулы, которые описывают законы движения, законы сохранения энергии и импульса, закон Гука и другие. Например, закон Гука, который описывает деформацию упругих материалов, имеет вид: F = k * x, где F — сила, k — коэффициент упругости, x — деформация.
Соотношения в физике могут быть представлены как в аналитическом виде, так и в виде графиков или таблиц. Они являются основой для описания физических процессов и разработки законов и теорий, которые широко используются в научных и инженерных исследованиях.
Определение и его значение
Соотношение в физике — это математический выразительный способ описания отношений между различными величинами, которые могут быть измерены или подсчитаны. Оно позволяет установить зависимости между различными величинами и представить их в форме уравнения или неравенства.
Соотношения широко используются в физике для выявления закономерностей и установления зависимостей между различными физическими величинами. Они позволяют описывать физические явления и процессы, а также предсказывать результаты экспериментов.
В физике соотношения могут быть представлены в различных формах, включая линейные, квадратичные, пропорциональные и другие. Они могут быть заданы в виде уравнений, графиков, таблиц или графических диаграмм.
Например, закон Гука в механике устанавливает соотношение между силой, применяемой к упругому телу, его деформацией и коэффициентом упругости. Это соотношение может быть описано уравнением: F = k * x, где F — сила, k — коэффициент упругости, x — деформация.
Таким образом, соотношения позволяют установить связь между различными физическими величинами и являются неотъемлемой частью физического анализа и экспериментальных исследований.
Примеры соотношений в физике
В физике существует множество соотношений и формул, которые позволяют описывать и объяснять различные явления и законы природы. Вот несколько примеров таких соотношений:
Закон Гука: Уравнение, описывающее связь между силой, упругостью и деформацией упругого материала. Формула выглядит следующим образом: F = k * x, где F — сила, к — коэффициент упругости, x — деформация.
Закон всемирного тяготения: Соотношение, описывающее силу взаимодействия между двумя массами. Формула имеет вид: F = G * (m1 * m2) / r^2, где F — сила, G — гравитационная постоянная, m1 и m2 — массы взаимодействующих тел, r — расстояние между ними.
Уравнение эйнштейна: Соотношение между энергией и массой. Формула звучит как E = mc^2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света.
Это лишь несколько примеров соотношений в физике. Каждое из них позволяет описывать и предсказывать различные физические явления и является основой для более сложных законов и теорий. Наличие таких соотношений в физике позволяет сделать точные вычисления и предсказания, а также применять физические законы в различных практических задачах и технологиях.
Соотношение в законе сохранения энергии
Закон сохранения энергии является одним из основных законов физики. Он утверждает, что энергия системы остается постоянной во времени, если на нее не действуют внешние силы. Это означает, что энергия может изменять свою форму, но ее общая сумма остается неизменной.
Существуют различные формы энергии, включая кинетическую энергию, потенциальную энергию, тепловую энергию, электрическую и механическую энергию. Закон сохранения энергии гласит, что сумма всех форм энергии в системе остается неизменной.
Для математической формулировки закона сохранения энергии используется следующее соотношение:
где Eначальная — это сумма всех форм энергии в начальный момент времени, а Eконечная — сумма всех форм энергии в конечный момент времени.
Примером применения закона сохранения энергии может служить движение механической системы. Предположим, что система состоит из тела массой m, движущегося со скоростью v, и находящегося на высоте h над землей.
В этом случае, сумма кинетической и потенциальной энергии системы будет постоянной:
где m*v 2 /2 — кинетическая энергия тела, m*g*h — потенциальная энергия тела.
Таким образом, соотношение в законе сохранения энергии позволяет анализировать энергетический баланс систем и предсказывать их поведение в различных условиях.
Соотношение во втором законе Ньютона
Второй закон Ньютона является одним из фундаментальных законов классической механики. Он устанавливает связь между силой, массой и ускорением, действующими на тело.
Соотношение второго закона Ньютона выражается следующей формулой:
F = m * a
- F — сила, действующая на тело, измеряемая в ньютонах (Н);
- m — масса тела, измеряемая в килограммах (кг);
- a — ускорение тела, измеряемое в метрах в секунду в квадрате (м/с²).
То есть, сила, действующая на тело, прямо пропорциональна произведению массы тела на его ускорение. Чем больше масса и/или ускорение тела, тем больше сила, действующая на него.
Примером использования второго закона Ньютона может быть движение автомобиля. Если водитель ставит в автомобиле газ и ускоряет его, то сила, которую он приложил к педали акселератора, будет приводить к увеличению ускорения автомобиля. Соотношение второго закона Ньютона позволяет определить, с какой силой автомобиль будет ускоряться при заданной массе и ускорении.
Вопрос-ответ
Что такое соотношение в физике?
Соотношение в физике представляет собой математическую формулу или уравнение, которое описывает связь между различными физическими величинами. Это позволяет нам выражать одну величину через другую и делать выводы о влиянии одной величины на другую.
Какие примеры соотношений можно привести в физике?
Примеры соотношений в физике могут быть очень разнообразными. Например, Закон Гука в механике описывает соотношение между силой, удлинением и упругостью пружины. Формула для вычисления плотности материала представляет соотношение массы и объема. Уравнение скорости вращения тела вокруг оси связывает угловую скорость, радиус и время.
Зачем нужны соотношения в физике?
Соотношения в физике необходимы для понимания и описания законов природы. Они помогают нам выразить и связать физические величины, делая наш анализ более системным и точным. Благодаря соотношениям мы можем прогнозировать поведение системы, решать задачи и делать выводы о взаимосвязи между явлениями.
Какими методами можно получить соотношение в физике?
Соотношения в физике могут быть получены различными способами. Некоторые формулы выводятся на основе экспериментальных данных и эмпирической закономерности. Другие соотношения могут быть получены с использованием принципов и аксиом базовых теорий физики, таких как законы сохранения или уравнения движения.
Как проверить правильность соотношения в физике?
Правильность соотношения в физике можно проверить экспериментально. Сначала формула или уравнение проверяется на основе известных данных и экспериментальных измерений. Если результаты согласуются с предсказаниями, то соотношение считается верным. Кроме того, математические и логические преобразования могут быть использованы для проверки соответствия формулы известным законам физики.
Что такое соотношение в физике
ОТНОШЕНИЕ РАССТОЯНИЙ — ОТНОШЕНИЕ РАССТОЯНИЙ, величина, описывающая работу простого МЕХАНИЗМА, которая представляет собой отношение расстояния, пройденного точкой приложения усилия (исходной силы), к расстоянию, пройденному точкой приложения нагрузки (выходной силы). см … Научно-технический энциклопедический словарь
отношение вязкостных сил к капиллярным силам — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN capillary number … Справочник технического переводчика
Отношение к нанотехнологиям в обществе — Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия
Отношение к нанотехнологии в обществе — Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия
ОТНОШЕНИЕ К ПРИРОДЕ — одна из сфер общественной жизнедеятельности человека, заключающая в себе нравственно ценностное содержание (Этика и экология). О. к п. зависит от господствующего в об ве способа производства, осуществляется на основе общественных связей между… … Словарь по этике
ОТНОШЕНИЕ К ТРУДУ — экономическая и этическая категория, раскрывающая как объективное положение трудящихся в производственном процессе, форму их участия в общественном труде, так ц субъективное их отношение к своей общественно полезной деятельности. В экономическом… … Словарь по этике
Момент сил — Момент силы (синонимы: крутящий момент; вращательный момент; вращающий момент) физическая величина, характеризующая вращательное действие силы на твёрдое тело. Момент силы приложенный к гаечному ключу Отношение между векторами силы, момента силы … Википедия
Еврейские погромы Вооружённых сил Юга России — Часть серии статей об антисемитизме … Википедия
Флаг Военно-воздушных сил России — Флаг Военно воздушных сил Российской Федерации ВВС России Россия … Википедия
Союз правых сил — Проверить нейтральность. На странице обсуждения должны быть подробности. У этого термина существуют и другие значения, см. СПС (значения) … Википедия
Размерность физической величины
- Разме́рность физической величины — выражение, показывающее связь этой величины с основными величинами данной системы физических величин; записывается в виде произведения степеней сомножителей, соответствующих основным величинам, в котором численные коэффициенты опущены.
Связанные понятия
Эта статья о физическом понятии. О более общем значении термина, см. статью СкалярСкалярная величина (от лат. scalaris — ступенчатый) в физике — величина, каждое значение которой может быть выражено одним действительным числом. То есть скалярная величина определяется только значением, в отличие от вектора, который кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.Скалярная величина, или скаляр согласно математическому энциклопедическому словарю.
Ниже приведены примеры уравнений непрерывности, которые выражают одинаковую идею непрерывного изменения некоторой величины. Уравнения непрерывности — (сильная) локальная форма законов сохранения.
Статистическим ансамблем физической системы называется набор всевозможных состояний данной системы, отвечающих определённым критериям. Примерами статистического ансамбля являются.
В квантовой механике импульс, как и все другие наблюдаемые физические величины, определяется как оператор, который действует на волновую функцию.
Мультипо́ли (от лат. multum — много и греч. πόλος — полюс) — определённые конфигурации точечных источников (зарядов). Простейшими примерами мультиполя служат точечный заряд — мультиполь нулевого порядка; два противоположных по знаку заряда, равных по абсолютной величине — диполь, или мультиполь 1-го порядка; 4 одинаковых по абсолютной величине заряда, размещённых в вершинах параллелограмма, так что каждая его сторона соединяет заряды противоположного знака (или два одинаковых, но противоположно направленных.
Что такое соотношение в физике
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Полезное
Смотреть что такое «ЭЙНШТЕЙНА СООТНОШЕНИЕ» в других словарях:
Эйнштейна-Подольского-Розена парадокс — Парадокс Эйнштейна Подольского Розена (ЭПР парадокс) попытка указания на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента, заключающегося в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот объект… … Википедия
Соотношение Эйнштейна (молекулярно-кинетическая теория) — В физике (главным образом в молекулярно кинетической теории) соотношением Эйнштейна (также называемое соотношением Эйнштейна Смолуховского) называется выражение, связывающее подвижность молекулы (молекулярный параметр) с коэффициентом диффузии и… … Википедия
Соотношение Эйнштейна — В физике (главным образом в молекулярно кинетической теории) соотношением Эйнштейна (также называемое соотношением Эйнштейна Смолуховского) называется выражение, связывающее подвижность молекулы (молекулярный параметр) с коэффициентом диффузии и… … Википедия
соотношение Эйнштейна — Einšteino sąryšis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Einstein relation vok. Einstein Beziehung, f rus. соотношение Эйнштейна, f pranc. relation d’Einstein, f … Fizikos terminų žodynas
соотношение Нернста-Эйнштейна — Nernsto ir Einšteino sąryšis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Nernst Einstein relation vok. Nernst Einsteinsche Beziehung, f rus. соотношение Нернста Эйнштейна, n pranc. relation de Nernst Einstein, f … Fizikos terminų žodynas
Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена — Парадокс Эйнштейна Подольского Розена (ЭПР парадокс) попытка указания на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента, заключающегося в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот… … Википедия
Парадокс Эйнштейна — Парадокс Эйнштейна Подольского Розена (ЭПР парадокс) попытка указания на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента, заключающегося в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот… … Википедия
Список научных публикаций Альберта Эйнштейна — Альберт Эйнштейн (1879 1955) был известным специалистом по теоретической физике, который наиболее известен как разработчик общей и специальной теорий относительности. Он также внёс большой вклад в развитие статистической механики, особенно… … Википедия
Законы Ньютона
Законы Ньютона — это законы соотношения между силами, действующими на массивное тело, и движением тела, это их взаимодействие; всего их 3, и впервые их сформулировал английский физик и математик сэр Исаак Ньютон в 1686 году.
Законы Ньютона кратко:
1-й закон Ньютона: закон инерции — если на тело не действуют внешние силы, то покоящееся тело будет оставаться в покое, а движущееся тело останется в равномерном движении по прямой.
2-й закон Ньютона: основной закон динамики — существует связь между силой, которая действует на тело и ускорением (тело приобретает ускорение из-за действующей на него силы, т.е. F = m × a).
3-й закон Ньютона: закон равенства действия и противодействия — на каждое действие существует равное и противоположное противодействие.
Сила — это мера взаимодействия тел и измеряется в ньютонах (Н; единица измерения 1 Н = 1 кг·м/с²). Ньютон — это интенсивность силы, приложенная к частице массой 1 кг, вызывающая ускорение 1 метр в секунду в секунду, т.е. 1 м/с².
Первый закон Ньютона: закон инерции
Определение
Если на тело не действуют внешние силы, то покоящееся тело будет оставаться в покое, а движущееся тело останется в равномерном движении по прямой.
Этот закон также используется как определение инерции.
Если на объект не действует внешняя сила, то его скорость будет постоянной. Если скорость будет нулевой, то и объект не сдвинется с места. Если будет существовать внешняя сила, из-за этой силы его скорость изменится.
Имеется в виду, что вещи не останавливаются, не начинают двигаться сами по себе и не меняют направление без силы, которая действует на них извне, что и вызывает такие изменения их движений.
Например, при игре в футбол мяч полетит в ту сторону, куда игрок его пнёт. Так, объект, на который действует сила, может изменить свою скорость и направление. Когда мяч попадает в ворота, другая сила (сила сетки ворот) действует на него, останавливая.
Другое определение инерции:
Инерция — это свойство тел, заставляющее их сопротивляться изменениям скорости и/или направления.
Формулы первого закона Ньютона не существует.
Второй закон Ньютона: основной закон динамики
Определение
Существует связь между силой (F), которая действует на тело (массы m), и ускорением (a). Тело приобретает ускорение из-за действующей на него силы.
Например, если взять два круглых предмета разной массы и ударить по ним битой (на картинке — бейсбольный мяч и шар для боулинга) с одинаковой силой, то результат будет разный.
Поскольку у них разная масса, то при ударе с одинаковой силой они будут перемещаться на разное расстояние и с разной скоростью. Если увеличится сила удара по тому же бейсбольному мячу, то результат тоже изменится — он улетит дальше.
Насколько объект ускоряется (a), зависит от массы тела (m) и силы, приложенной к нему (F).
Например, воздействие силы (F) 15 Н (Ньютонов) на бейсбольный мяч (массой m1) будет намного больше, чем та же самая сила, действующая на шар для боулинга (массой m2).
Формула
F — сила, приложенная к телу (в Н)
m — масса тела (в кг)
a — ускорение тела (в м/с²)
То есть ускорение (a) прямо пропорционально силе, приложенной к телу (F) и обратно пропорционально массе тела (m). F — это сила, возникающая в результате всех сил, действующих на тело.
Пример использования формулы
Сколько требуется силы для разгона автомобиля массой 1000 кг со скоростью 5 м/с²?
Используем эту формулу
F = 1000 кг × 5 м/с² = 5000 Н
Ответ: сила, необходимая для разгона автомобиля массой 1000 кг со скоростью 5 м/с², составляет 5000 Ньютонов.
Третий закон Ньютона: закон равенства действия и противодействия
Определение
На каждое действие существует равное и противоположное противодействие/реакция.
Имеется в виду, что на каждую силу действия, приложенную к телу, возникает другая сила противодействия в другом теле, и эта сила (реакции/противодействия) имеет ту же интенсивность, что и сила действия, но она действует в противоположном направлении. Так, парами, эти силы появляются и компенсируют друг друга.
Действие — это сила стопы атлета на земле, а сила противодействия заключается в том, что земля отталкивает тело в противоположном направлении.
Таким образом, 3 закон Ньютона объясняет то, как мы можем бегать и ходить по земле.
Другой пример: когда каратист ударяет по боксёрской груше, она «ударяет» каратиста с той же силой, и это понятно по тому, как у него болит от этого удара нога.
Формула
Для постоянной массы тела справедлива следующая формула:
F1 — сила действия первого тела на второе;
F2 — сила действия второго тела на первое.
Эта формула означает, что взаимодействие двух тел даёт пару сил F1 и F2, которые:
СООТНОШЕНИЕ
соотношение ср. Взаимное отношение; взаимная связь, зависимость.
соотношение
с.
correlation; (количественное отношение, пропорция) ratio
соотношение сил — correlation of forces; (перен. тж.) the alignment of forces
устанавливать правильное соотношение (между) — bring* into proper correlation (d.)
это соотношение обычно записывается в виде . — this relation is usually represented in the form . this relation is usually represented in the following way .
— безвычитательное дисперсионное соотношение
— вариационное соотношение
— вероятностное соотношение
— вычитательное дисперсионное соотношение
— дисперсионное соотношение для амплитуды рассеяния
— дисперсионное соотношение
— изотопическое соотношение
— канонические перестановочные соотношения
— кинематическое соотношение
— коммутационное соотношение
— коммутационные соотношения Гейзенберга
— линейное соотношение
— нелинейное соотношение
— обобщённое дисперсионное соотношение
— операторное соотношение
— оптимальное соотношение
— основное соотношение
— перекрёстное соотношение
— перенормированное дисперсионное соотношение
— перестановочное соотношение Ферми — Дирака
— перестановочное соотношение
— полуэмпирическое соотношение
— приближённое соотношение
— причинное соотношение
— рекуррентное соотношение
— соотношение Адлера — Вайсбергера
— соотношение Беннета
— соотношение Бете — Вайцзеккера
— соотношение Больцмана
— соотношение Вайнрайха
— соотношение взаимности Онсагера
— соотношение взаимности
— соотношение Гиббса — Томсона — Херринга
— соотношение Голдбергера — Тримена
— соотношение давление-объём-температура
— соотношение Джозефсона
— соотношение Корринги
— соотношение Крамерса — Кронига
— соотношение Льюиса
— соотношение масса-светимость
— соотношение между массой и энергией
— соотношение между напряжением и деформацией в пластической области
— соотношение между напряжением и деформацией в упругой области
— соотношение между напряжением и деформацией
— соотношение Мэнли — Роу
— соотношение неопределённостей Гейзенберга
— соотношение неопределённостей
— соотношение Онзагера
— соотношение подобия
— соотношение Прандтля
— соотношение пробег-энергия
— соотношение Фресслинга
— соотношение Эйнштейна
— соотношения бозонизации
— соотношения Гейзенберга
— соотношения Клейна — Росселанда
— соотношения Коши
— соотношения Рэнкина — Гюгоньо
— соотношения симметрии Редже
— статистическое соотношение
— универсальное соотношение Степанова
— эмпирическое соотношение
— энергетическое соотношение
Уравнение Клапейрона-Менделеева
Идеальный газ — это газ, в котором пренебрегают взаимодействием молекул газа между собой.
Идеальными считают разреженные газы. Особенно близкими к идеальным считают гелий и водород.
Идеальный газ — это упрощенная математическая модель, которая широко применяется для описания свойств и поведения реальных газов при атмосферном давлении и комнатной температуре.
Давление, объем и температура — это основные параметры состояния системы, и они связаны друг с другом. Соотношение, при котором определяется данная связь, называется уравнением состояния данного газа.
Существует эквивалентная макроскопическая формулировка идеального газа — это такой газ, который одновременно будет подчиняться закону Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, то есть:
p V = c o n s t * T
В представленном выше уравнении состоянии газа под const подразумевается количество молей.
Свойства классического и квазиклассического идеального газа описываются уравнением состояния идеального газа, которое называется уравнением Менделеева-Клапейрона, ниже представлена формула Менделеева-Клапейрона.
p V = m M R T = n R T , где m — масса газа, M — молярная масса газа, R = 8 , 314 Д ж / ( м о л ь * К ) — универсальная газовая постоянная, T — температура (К), n — количество молей газа.
Таким образом давление и объем прямо пропорциональны количеству молей и температуре.
Также уравнение Клапейрона-Менделеева можно записать в ином виде:
p V = N k T , где N — это количество молекул газа массой m , k = 1 , 38 * 10 — 23 Д ж / К — постоянная Больцмана, которая определяет «долю» газовой постоянной, приходящуюся на одну молекулу и определяется по формуле:
N = m N A M , где
N A = 6 . 02 * 10 23 м о л ь — 1 ; — это постоянная Авогадро.
Какое значение имеет универсальная газовая постоянная
Универсальная газовая постоянная (R) — это величина, которая является константой, численно равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 K.
Значение данной константы находится как произведение постоянной Больцмана ( k = 1 , 38 * 10 — 23 Д ж / К ) на число Авогадро ( N A = 6 . 02 * 10 23 м о л ь — 1 \) . Таким образом универсальная газовая постоянная принимает следующее значение: R = 8 , 314 Д ж / ( м о л ь * К ) .
Постоянную Больцмана используют в формулах, описывающих изучаемое явление или поведение рассматриваемого объекта с микроскопической точки зрения, тогда как универсальная газовая постоянная более удобна при расчетах, касающихся макроскопических систем, когда число частиц задано в молях.
Связь с другими законами состояния идеального газа
С помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, в которых масса и один трех макропараметров (давление, температура или объем) — остаются неизменными.
Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном третьем параметре называют газовыми законами, которые связывают эти параметры.
Изопроцессы — это термодинамические процессы, во время протекания которых количество вещества и один из макропараметров состояния: давление, объем, температура или энтропия — остается неизменным.
В зависимости от того, какой параметр остается неизменным различают разные процессы, которые выражаются законами, являющимися следствием уравнения состояния газа:
- изотермический процесс (T=const);
- изохорный процесс (V=const);
- изобарный процесс (p=const).
Изотермический процесс (T=const)
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим.
Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой — термостатом. Им может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса.
Согласно уравнению Клапейрона-Менделеева, в любом состоянии с неизменной температурой произведение давления газа на объем одно и то же, то есть постоянно:
Этот закон был открыт экспериментально английским ученым Бойлем и несколько позднее французским ученым Мариоттом. Именно поэтому он называется закон Бойля-Мариотта.
Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а также для смеси газов (например, для воздуха).
Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре изображается графической кривой — изотермой. Изотерма для различных температур представлена в координатах pV на рис.1. и представляет собой гиперболу.
Рис.1. Изотерма в pV — координатах.
Изохорный процесс (V=const)
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным.
Из уравнения состояния следует, что отношение давлений газа данной массы при постоянно объеме равно отношению его абсолютных температур:
p 1 p 2 = T 1 T 2
Газовый закон был установлен экспериментально в 1787 г. французским физиком Ж. Шарлем и носит название закона Шарля: давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре.
Так, если в качестве одного из состояний газа выбрать состояние газа при нормальных условиях, тогда
p = p 0 T T 0 = p 0 γ T
Коэффициент γ называют температурным коэффициентом давления газа. Он одинаков для всех газов.
Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме изображается графически прямой, которая называется изохорой (Рис.2).
Рис.2 Изображение изохоры в pT-координатах.
Изобарный процесс (p=const)
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным.
Из уравнения Клапейрона-Менделеева вытекает, что отношение объемов газа данной массы при постоянном давлении равно отношению его абсолютных температур.
V 1 V 2 = T 1 T 2
Если в качестве второго состояния газа выбрать состояние при нормальных условиях (нормальном атмосферном давлении, температуре таяния льда) следует:
V = V 0 T T 0 = V 0 α T
Этот газовый закон был установлен экспериментально в 1802 г французским ученым Гей-Люссаком.
Закон Гей-Люссака: объем данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.
Коэффициент α называют температурным коэффициентом объемного расширения газов.
Зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении изображается графической прямой, которая называется изобарой (Рис.3).
Рис. 3. Изобара в VT-координатах.
Использование универсального уравнения для решения задачи
В реальности проводятся различные физико-химические процессы. Рассмотрим каким образом уравнение состояния идеального газа и законы, связанные с ним находят применение для решения физических и химических задач.
Определить давление кислорода в баллоне объемом 1 м 3 при температуре t = 27 C o . Масса кислорода 1 кг.
Так как в уравнении даны объем и температура — два из трех макроскопических параметров, а третий (давление) нужно определить, то мы можем использовать уравнение Клапейрона-Менделеева:
p V = n R T = m M R T
Не забываем перевести температуру в Кельвины:
T = t + 273 = 27 + 273 = 300 K
Молярная масса кислорода известна из таблицы Менделеева:
M ( O 2 ) = 2 * 16 = 32 г / м о л ь = 32 * 10 — 3 к г / м о л ь
Выразим из уравнения состояния давления и поставим все имеющиеся данные:
p = n R T V = m R T M V = 1 * 8 . 31 * 300 32 * 10 — 3 * 1 = 77 . 906 П а = 78 к П а
Ответ: p = 78 кПа.
Каким может быть наименьший объем баллона, содержащего кислород массой 6,4 кг, если его стенки при t = 20 C o выдерживают p = 1568 Н / с м 2 ?
Используем уравнение Менделеева-Клапейрона, из которого выражаем объем кислорода, который нужно найти:
p = n R T V = m R T M V
Молярная масса кислорода предполагается равной:
M ( O 2 ) = 2 * 16 = 32 г / м 3
Не забываем перевести температуру в Кельвины:
T = t + 273 = 20 + 273 = 293 K
Переводим давление: p = 15680000 Па
Выражаем из уравнения Клапейрона-Менделеева объем и подставляем значения, данные в условиях задачи:
V = n R T p = m R T M p = 6 . 4 * 8 . 31 * 293 15680000 * 32 * 10 — 3 = 3 . 1 * 10 — 2 м 3 = 31 л .
Используя уравнение состояния идеального газа, доказать, что плотность любого газа равна половине плотности водорода ( ρ Н 2 ) , взятого при тех же условиях, умноженной на относительную молекулярную массу этого газа M_r, то есть ρ = ρ Н 2 * M r 2 .
Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона:
p = n R T V = m R T M V
Плотность — это величина, характеризующая массу некоторого объема и находится по формуле:
ρ = m V и л и V = m ρ
Тогда p m ρ = n R T = m R T M
Откуда выражаем плотность газа:
Для водорода эта формула запишется следующим образом:
ρ H 2 = p M H 2 R T
По условию задачи водород и любой другой газ находятся при одинаковых условиях, откуда следует, что:
ρ H 2 M H 2 = p R T
Поставим последнее выражение в выражение для плотности любого газа:
ρ = M * ρ H 2 M H 2
Молярная масса водорода, исходя из таблицы Менделеева равна 2 г/моль и тогда. Молекулярная масса численно равная молярной и представляет собой массу молекулы в атомных единицах, поэтому в дальнейшем мы совершили переход к молекулярной массе.
ρ = M r * ρ H 2 2
Вывод: плотность любого газа равна половине плотности водорода ( ρ Н 2 ) , взятого при тех же условиях, умноженной на относительную молекулярную массу этого газа M_r, то есть ρ = ρ Н 2 * M r 2 .
Рассмотрим несколько задач на законы, связанные с уравнение Клапейрона-Менделеева, то есть на изотермические, изохорные, изобарные процессы.
При уменьшении давления газа в 2,5 раза его объем увеличился на 12 л. Какой объем занимал газ в начальном состоянии, если температура на протяжении всего процесса оставалась постоянной?
По условию задачи температура в ходе всего процесса оставалась постоянной, откуда следует, что у нас изотермический процесс, и мы можем воспользоваться для решения законом Бойля-Мариотта.
p 1 V 1 = p 2 V 2 , г д е p 1 – давление газа в начальном состоянии (до расширения), V 1 — объем газа в начальном состоянии, p 2 = p 1 2 . 5 — давление газа в конечном состоянии (после расширения), V 2 = V 1 + ∆ V — объем газа в конечном состоянии.
Откуда можем найти начальный объем:
p 1 V 1 = p 1 2 . 5 ( V 1 + ∆ V ) = p 1 2 . 5 V 1 + p 1 2 . 5 ∆ V
V 1 ( p 1 — p 1 2 . 5 ) = p 1 2 . 5 ∆ V
p 1 2 . 5 V 1 ( 2 . 5 — 1 ) = p 1 2 . 5 ∆ V
V 1 = ∆ V 1 , 5 = 8 л
Ответ: первоначальный объем газа был равен 8 л.
Газ находится в баллоне при температуре 400 К. До какой температуры нужно нагреть газ, чтобы его давление увеличилось в 1,5 раза?
Так как нагревание газа по условиям данной задачи происходит при постоянном объеме, значит перед нами изохорный процесс.
При изохорном процессе:
p 1 T 1 = p 2 T 2
T 2 = p 2 T 1 p 1
p 2 p 1 = 1 . 5 T 2 = 1 . 5 * T 1 = 1 . 5 * 400 = 600 K
При 27°C объем газа равен 600 мл. Какой объем займет газ при 57°C, если давление будет оставаться постоянным?
Так как давление по условию остается постоянным, то можем использовать закон Гей-Люссака.
V 1 V 2 = T 1 T 2
V_2 – искомый объем
Для правильного расчета необходимо перевести температуры из Цельсий в Кельвины:
T 1 = 273 + 27 = 300 K
T 2 = 273 + 57 = 330 K
T 2 V 1 T 1 = V 2
V 2 = ( 600 * 330 ) / 300 = 660 м л
Газ в трубе плавильной печи охлаждается от температуры t 1 = 1150 ° С д о t 2 = 200 ° С . Во сколько раз увеличивается плотность газа при этом? Давление газа не меняется.
Так как по условию задания давления газа не изменяется, значит перед нами изобарный процесс. Для решения воспользуемся законом Гей-Люссака:
Глава 2. Постигаем основы физики
Представьте себе, что вы бьетесь над решением почти неразрешимой физической задачи и пытаетесь найти подход к ней. Задача очень сложна и многим так и не поддалась. Внезапно в результате озарения все становится предельно ясным.
“Ну конечно, — говорите вы, — это же элементарно! Мяч в максимальной точке поднимется на высоту 9,8 м”.
Глядя на правильное решение задачи, преподаватель одобрительно кивнет головой, а вы, окрыленные успехом, с удвоенной силой приметесь за решение следующей задачи.
В физике, как и в любой другой области деятельности, заслуженный успех и слава достаются только в результате упорного труда. Не бойтесь работы, ведь цель оправдывает средства. По окончании чтения этого курса вы настолько овладеете предметом, что сможете решать те задачи, которые прежде казались вам просто неразрешимыми.
Эта глава начинается с описания некоторых базовых сведений и навыков, которые потребуются для освоения следующих глав. В ней описываются способы научных измерений, научные обозначения, базовые сведения по алгебре и тригонометрии, а также правила оценки значимости величин и точности полученных результатов. Полагаясь на эти твердые и незыблемые сведения, вы сможете овладеть всем другим материалом в этом курсе.
Не бойтесь, это всего лишь физика
Многих от слова “физика” бросает в дрожь. Легко прийти в ужас, если представить себе физику, как нечто совершенно чуждое с высосанными из пальца абстрактными числами и правилами. Однако истина заключается в том, что физика призвана помочь нам понять реальный мир. Погружение в физику — это увлекательное путешествие, которое совершает человечество в попытке понять устройство мира.
Хотя может показаться справедливым и обратное утверждение, но нет никакой загадки в целях и методах физики: физика просто моделирует мир. Идея заключается в том, чтобы создать мысленные модели, описывающие поведение мира: как бруски скользят по наклонной плоскости, как образуются и светят звезды, как черные дыры захватывают свет, что происходит при столкновении автомобилей и т.п. В момент создания модели она совсем не содержит чисел, а только описывает самую суть явления. Например, звезда образуется из этого слоя, потом из того слоя, дальше возникает реакция, за ней другая и — бац, вот вам новая звезда!
По мере совершенствования модели ее описание становится количественным, и именно с этого момента изучения физики у учеников и студентов возникает большинство проблем. С изучением физики было бы меньше проблем, если бы можно было просто сказать: “Тележка, скатываясь по наклонной плоскости, движется все быстрее и быстрее”. Но для полного физического описания этого явления недостаточно сказать, что тележка движется быстрее, нужно сказать, насколько именно быстрее движется тележка.
Суть физики заключается в следующем: сделать наблюдение, создать модель для имитации явления, добавить математическое описание и — все! В таком случае вы сможете предсказывать развитие событий в реальном мире. Математика нужна, чтобы занять более уверенную позицию в реальном физическом мире и чтобы помочь в исследовании принципов и причин такого явления.
Учитесь у гения: не отгораживайтесь математикой от физики
Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года “За фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц*, в 1950-1960 годах заработал уникальную репутацию среди физиков. Свой метод исследования он объяснял так: нужно мысленно “на пальцах” описать задачу с указанием аналогии из реальной жизни, тогда как другие стремились сразу перейти к математическому описанию. Когда ему встречалась очень длинная теория с подозрительным результатом, он стремился найти какое-то физическое явление, которое можно было бы объяснить этой теорией. Если в своих размышлениях он достигал точки, в которой ему становилось очевидно несоответствие предлагаемой теории и факта реального мира, он сразу же заявлял: “Это не верно, проблема в том-то и том-то”. Он всегда оказывался прав, что озадачивало многих его коллег и буквально лишало их дара речи. Многие современники считали и считают его настоящим гением. Хотели бы стать супергением? Поступайте так же: не дайте математике запугать вас и скрыть от вас физику.
Всегда имейте в виду, что реальный мир находится на первом месте, а математика — на втором. Для успешного решения физической задачи важно не утонуть в математических выкладках и сохранить глобальное видение явления, чтобы удержать контроль над ситуацией. После обучения физике студентов колледжа в течение многих лет я столкнулся с одной из самых крупных проблем в изучении физики: студенты часто напрочь запуганы математикой.
А теперь зададимся одним из наиболее важных вопросов: для чего вам нужна физика? Если вы хотите продолжить свою карьеру в физике или смежной области, то ответ прост: вам нужно знать физику для “ежедневного применения”. Но даже если вы не планируете карьеру физика, вы все еще можете извлечь достаточно много пользы от овладения этим предметом. Многие сведения из вводного курса физики можно применять на практике. Но еще более важным преимуществом овладения физикой является не ее применение на практике, а приобретенные навыки решения задач. Решение физических задач учит вас настойчивости, умению учитывать все варианты решения и выбирать наиболее оптимальный, а также поиску простейшего метода решения.
Измеряем окружающий мир и делаем предсказания
Физики прекрасно умеют измерять и предсказывать явления реального мира. В конце концов, именно потому физика оказалась такой жизнеспособной. Измерение является начальной точкой, на основе которой создается модель явления и делаются предсказания. Множество мер предусмотрено для измерения длины, веса, времени и т.д. Овладение искусством измерения величин является залогом успешного изучения физики.
Для достижения согласия в измерениях физики и математики сгруппировали меры в системы единиц измерения. Наиболее распространенными являются система СГС (сантиметр-грамм-секунда) и СИ (система интернациональная). Например, в табл. 2.1 показаны основные единицы измерения в системе СГС. (Пока не стоит напрягаться и запоминать эти единицы, поскольку мы вернемся к ним позже.)
В табл. 2.2 перечислены основные единицы измерения в системе СИ и их сокращения.
Никогда не смешивайте единицы из разных систем
Поскольку в разных системах используются разные единицы длины, то в зависимости от используемой системы можно получать разные численные значения. Например, для измерения глубины плавательного бассейна можно использовать систему СИ, с помощью которой ответ будет выражен в метрах; в системе СГС она будет представлена в сантиметрах, а в еще менее популярной системе — в дюймах.
Предположим, однако, что вам нужно узнать давление воды на дне бассейна. Измеряем глубину бассейна и подставляем найденное значение в формулу давления (см. главы 14 и 15). Однако в этом месте нужно обратить пристальное внимание на используемую систему единиц измерения.
Всегда помните, что в процессе решения задачи нужно использовать одну и ту же систему единиц измерения. Если вы начали решать задачу с помощью системы СИ, то придерживайтесь ее до конца. Иначе вместо правильного ответа вы получите бессмысленную смесь разных величин, поскольку в таком случае вы фактически приравниваете величины, измеренные с помощью разных мерок. Эта ситуация подобна ошибке кулинара, когда, читая рецепт, вместо двух ложек муки он использует два стакана.
В течение многих лет мне приходилось видеть, как студенты ошибочно смешивали величины, полученные с помощью разных систем измерения, и не могли понять причину неправильного решения. Конечно, их намерения были совершенно благородны, идеи прекрасны, выводы уравнений безупречны, а численные значения в ответах получались неверными. Например, в ответе для величины ускорения приведено значение 15, а студент получил 1500. Оказывается, в ответе используется система СИ и ответ дан в метрах на секунду в квадрате, а студент решал задачу с помощью системы СГС и получил правильный ответ, но выраженный в сантиметрах на секунду в квадрате. Численный ответ получился другим именно из-за использования другой системы единиц измерения.
От метров к дюймам и обратно: преобразуем значения из разных единиц измерения
Физики используют разные системы измерения для записи измеренных значений. Но как преобразовать эти значения при переходе от одной системы к другой? При решении физических задач часто приходится иметь дело с величинами, выраженными в разных системах: одни величины могут быть измерены в метрах, другие — в сантиметрах, а третьи — даже в дюймах. Не пугайтесь. Нужно просто научиться их преобразовывать из одной системы в другую. Как проще всего это сделать? Используйте коэффициенты преобразования! Рассмотрим следующую задачу.
Допустим, что за 3 дня вы преодолели расстояние 4680 миль. Впечатляет. Подсчитаем среднюю скорость движения. Как показано в главе 3, в физике скорость определяется так же, как и в жизни: нужно пройденное расстояние поделить на время. Итак, с помощью приведенной ниже формулы получим конечный результат:
Полученный ответ выражен в нестандартных единицах измерения. Обычно для скорости используют другие единицы, например мили в час (в США), а потому нам придется преобразовать полученный ответ в более понятные единицы.
Для преобразования величин из одной системы единиц измерения в другую нужно использовать коэффициенты преобразования. Коэффициент преобразования — это значение, после умножения на которое все нежелательные единицы измерения устраняются, а остаются только нужные.
В предыдущем примере результат получен в милях в день и записан как миль/день. Для вычисления количества миль в час нужно использовать коэффициент преобразования, который позволит исключить дни и оставить часы, т.е. нужно умножить на величину “количество дней в час” (дней/час) и таким образом избавиться от дней:
Коэффициентом преобразования в данном случае является количество дней в час. После подстановки всех значений, упрощения полученного выражения и умножения на коэффициент преобразования получим следующее выражение:
Слова “секунда” (или “метр”) можно рассматривать как некие переменные \( x \) или \( y \) , которые исключают друг друга из соотношения, если встречаются одновременно в числителе и знаменателе.
Если числа затуманивают голову, взгляните на единицы измерения
Хотите узнать об одной хитрости, которую применяют учителя при решении задач по физике? Внимательно следите за единицами измерения! Мне приходилось тысячи раз решать задачи “лицом к лицу” со студентами, и я убедился в том, что преподаватели всегда пользуются этим трюком.
Допустим, что нужно определить скорость по заданному расстоянию и времени. Эта задача решается практически мгновенно, потому что всем известно, что расстояние (например, выраженное в метрах), деленное на время (например, выраженное в секундах), дает скорость (выраженную в метрах в секунду).
Однако в более сложных задачах может быть гораздо больше величин, например масса, расстояние, время и т.д. В таких случаях приходится вылавливать в формулировке задачи численные значения и единицы измерения. Как определить количество энергии? Как показано в главе 10, единица энергии выражается как единица массы, умноженная на квадрат единицы длины и деленная на квадрат единицы времени. Если вы сможете легко выделить величины и их единицы измерения, то сможете не запутаться и представить их в решении.
На самом деле единицы измерения — это наши друзья. Они упрощают нам жизнь, в общем, и путь к решению, в частности. Потому если вы чувствуете, что “погрязли» в числах, то проверьте используемые единицы измерения.
Обратите внимание, что в сутках 24 часа, т.е. коэффициент преобразования равен 1/24. Потому преобразование единиц измерения (дней на часы) происходит при умножении величины 1560 миль/день на этот коэффициент преобразования.
При исключении дней во время умножения отношений получается следующий ответ:
Итак, средняя скорость равна 65 милям в час, что достаточно быстро, если ехать с такой средней скоростью на протяжении 3 суток!
Совсем не обязательно использовать коэффициент преобразования. Если инстинктивно вам понятно, что для преобразования единицы измерения “миль в день” в единицу “миль в час” нужно поделить числовое значение на 24, то нечего такой огород городить. Но если вы все же пребываете в сомнениях, то лучше все-таки найти и использовать все нужные коэффициенты преобразования. Лучше пройти этот длинный путь преобразования единиц измерения, чем поспешить и людей насмешить. Мне довольно часто встречались студенты, которые умели успешно решать задачи, но не справлялись с такими преобразованиями.
Преобразование суток в часы выполняется легко и просто, поскольку всем известно, что в сутках содержится 24 часа. Однако не все преобразования единиц измерения столь очевидны. Далеко не всем хорошо известны системы единиц СГС и СИ. Потому всегда полезно иметь под рукой табличку преобразований единиц из одной системы в другую, как, например, табл. 2.3. (Расшифровка приведенных здесь сокращений приводится в табл. 2.1 и 2.2.)
Поскольку разница между величинами в двух этих системах практически всегда кратна степеням 10, то преобразование величин выполняется достаточно просто. Например, если шар падает с высоты 5 метров, но вам нужно выразить расстояние в сантиметрах, то для этого достаточно умножить результат на отношение 100 сантиметров/1 метр:
А как преобразовать величины в единицы измерения Английской системы мер на основе фута-фунта-дюйма (foot-pound-inch — FPI)? Нет проблем. Все необходимые сведения о таких преобразованиях приведены в шпаргалке. Держите ее под рукой при чтении этой книги или при решении задач.
Исключаем нули: представляем числа в экспоненциальном виде
Физики часто мысленно погружаются в самые темные глубины и отправляются в самые далекие дали, а потому вынуждены использовать чудовищно большие или малые величины. Например, расстояние от Солнца до Плутона приблизительно равно 5 890 000 000 000 метрам. Что делать с таким огромным количеством метров и нулей? Физики для более удобной работы с такими очень большими или очень малыми величинами используют экспоненциальное представление чисел. В этом представлении нули выражаются в степенях 10. Чтобы определить степень, нужно подсчитать все цифры справа налево до первой цифры (первая цифра будет находиться перед запятой в итоговом экспоненциальном представлении). Итак, расстояние от Солнца до Плутона можно выразить следующим образом:
Экспоненциальное представление чисел также используется для записи очень маленьких значений, где степень имеет отрицательный знак. В таком случае нужно подсчитать количество цифр слева направо от десятичной запятой до места после первой ненулевой цифры (опять первая ненулевая цифра будет находиться перед запятой в итоговом экспоненциальном представлении):
Если число больше 10, то в экспоненциальном представлении оно будет иметь положительную степень, а если меньше 1, то — отрицательную. Как видите, операции с очень большими или малыми числами в экспоненциальном представлении выполняются гораздо проще. Именно поэтому во многих калькуляторах встроена возможность такого представления чисел.
Проверяем точность измерений
Точность имеет огромную важность для измерения и анализа физических параметров. Нельзя считать, что измерение стало более точным, если к измеренной величине необоснованно добавить дополнительное количество значащих цифр. Кроме того, всегда следует указывать оценку ошибки измерения с помощью знака ±. В следующих разделах более подробно описываются указания точности измерения физических величин.
Определяем значащие цифры
В измеренной величине значащими цифрами считаются те, которые были фактически получены в ходе измерения. Так, например, если после измерения ученые сообщили, что ракета прошла расстояние 10,0 за 7,00 секунд, то в результате этих измерений получено по три значащие цифры.
Чтобы определить скорость ракеты, эти данные можно ввести в калькулятор и после деления 10,0 на 7,00 получить, казалось бы, очень точный результат: 1,428571429. Но это совсем не так: если после измерения расстояния и времени для них получено всего по три значащие цифры, то в результате манипуляций с числами точность измерений не может возрасти до десяти значащих цифр. Ведь после измерения расстояния с помощью линейки с миллиметровыми делениями нельзя утверждать, что результат получен с точностью до нескольких микрон.
В примере с ракетой получено только по три значащие цифры, потому величина скорости равна 1,43, а не 1,428571429. Если записать больше цифр, то в таком случае будет сделано ничем необоснованное заявление о повышенной точности измерений, которой не было на самом деле.
При округлении числа нужно учитывать следующее простое правило. Если цифра справа от округляемой цифры больше или равна 5, то округление выполняется в сторону увеличения, а если эта цифра меньше 5, то округление выполняется в сторону уменьшения. Например, число 1,428 округляется до 1,43, а число 1,42 — до 1,4.
А что если в результате двух измерений ракета преодолела 10,0 метров за 7,0 секунд? Одно число имеет три, а другое — две значащих цифры. В таком случае нужно учитывать перечисленные ниже правила округления чисел с разным количеством значащих цифр.
- При умножении или делении чисел результат будет иметь то же количество значащих цифр, что и исходное число с наименьшим количеством значащих цифр.
В примере с ракетой, где нужно поделить расстояние на время, результат будет иметь только две значащие цифры, т.е. правильный ответ равен 1,4 м/с.
- При сложении или вычитании чисел нужно расположить их в столбик и выровнять по положению десятичной запятой в числах; самая последняя значащая цифра в результате будет соответствовать самой правой значащей цифре в том столбце, в котором все числа в столбике имеют значащие цифры.
Например, при сложении чисел 3,6, 14 и 6,33 получим:
Здесь нужно округлить результат до целого числа, поскольку число 14 не имеет значащих цифр после десятичной запятой, т.е. до 24.
По соглашению нули, используемые доя заполнения пустых мест до или после десятичной запятой, не считаются значащими цифрами. Например, по умолчанию число 3600 имеет только две значащие цифры. Но если некая величина измерена с высокой точностью и действительно равна 3600, то для подчеркивания точности измерения ее иногда приводят с указанием знака, отделяющего целую часть числа от десятичной дроби 3600,0.
Оцениваем точность
Физики при записи результатов измерений не всегда полагаются только на значащие цифры, и иногда можно встретить следующую запись:
Символ ± обозначает оценку физика возможной ошибки измерения. Физик сообщает таким образом, что действительное значение измеряемой величины находится в промежутке от 5,36+0,05 (т.е. 5,41) до 5,36-0,05 (т.е. 5,31) метров. (Это не значит, что именно настолько измеренное значение отличается от “истинного”. Это просто оценка точности измерения, т.е. насколько надежно это измерение.)
Определяем размер ±
С недавних пор символ ± стал чрезвычайно популярным, и его можно встретить даже в объявлениях о продаже недвижимости, например “продается 35± акров”. Иногда даже публикуются объявления о продаже ±35 акров. Значит ли это, что в итоге вы можете приобрести участок площадью в диапазоне от «-35 до +35 акров? Что значит приобрести -15 акров? Может быть, то, что после приобретения такого участка вы будете должны 15 акров?
Вспоминаем алгебру
В физике используется довольно много уравнений, и чтобы умело работать с ними, нужно овладеть основными приемами манипулирования частями уравнения. Сейчас самое время напомнить некоторые основные сведения из курса алгебры.
Следующее уравнение выражает расстояние \( s \) , которое проходит объект с ускорением \( a \) за время \( t \) :
Допустим, что нужно определить ускорение по известному времени движения и пройденному расстоянию. Манипулируя отдельными членами уравнения, получим следующее соотношение:
Для получения такого соотношения для \( a \) нужно обе стороны предыдущего выражения умножить на 2 и поделить на \( t^2 \) .
А что если нужно найти время \( t \) ? С помощью несложных манипуляций с переменными и числами получим следующее соотношение:
Нужно ли запоминать все эти три варианта одного уравнения? Конечно же, нет. Достаточно запомнить только один вариант, который связывает эти три величины (расстояние, ускорение и время), а потом извлекать из него соотношение для нужной переменной. (В шпаргалке приводится несколько основных соотношений, которые следует помнить.)
Немного тригонометрии
Кроме базовых сведений из алгебры для решения физических задач необходимо также иметь некоторые сведения из тригонометрии, например о синусе, косинусе, тангенсе. Для этого нужно запомнить простые соотношения на основе прямоугольного треугольника, который показан на рис. 2.1 во всей своей красе.
Для определения тригонометрических величин с помощью треугольника на рис. 2.1 нужно поделить длину одной стороны на длину другой, как показано ниже:
Эти простые соотношения пригодятся нам при изучении векторов в главе 4 и при решении многих задач по физике.
Зная величину одного острого угла и длину одной стороны этого треугольника, можно найти величину другого угла и длины двух других сторон. Ниже приводится несколько примеров, которые по мере изучения курса станут для вас просто родными, но которые вовсе не нужно запоминать наизусть. Если вы знаете предшествующие соотношения для синуса, косинуса и тангенса, то вы сможете легко вывести приведенные ниже соотношения:
Помните, что можно пойти и в “обратную сторону”, т.е. вычислить обратные функции для синуса ( \( sin^ \) , или \( arcsin \) ), косинуса ( \( cos^ \) , или \( arccos \) ) или тангенса ( \( tan^ \) , или \( arctg \) ). Вот как они определяются:
(Строго говоря, обратной синусу функцией является функция “арксинус”, или \( arcsin(x) \) , обратной косинусу — “арккосинус”, или \( arccos(x) \) , обратной тангенсу — “арктангенс”, или \( arctg(x) \) . Обозначения \( sin^ (x) \) , \( cos^ (x) \) и \( tg^ (x) \) часто используются в иностранной литературе для обозначения функций “арксинус”, “арккосинус” и “арктангенс”, но их не рекомендуется употреблять, чтобы не путать с функциями \( 1/sin(x) \) , \( 1/cos(x) \) и \( 1/tg(x) \) . — Примеч. ред.)
Что такое соотношение в физике
Определенная таким образом теплоемкость не является однозначной характеристикой вещества. Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии тела зависит не только от полученного количества теплоты, но и от работы, совершенной телом. В зависимости от условий, при которых осуществлялся процесс теплопередачи, тело могло совершать различную работу. Поэтому одинаковое количество теплоты, переданное телу, могло вызвать различные изменения его внутренней энергии и, следовательно, температуры.
Такая неоднозначность определения теплоемкости характерна только для газообразного вещества. При нагревании жидких и твердых тел их объем практически не изменяется, и работа расширения оказывается равной нулю. Поэтому все количество теплоты, полученное телом, идет на изменение его внутренней энергии. В отличие от жидкостей и твердых тел, газ в процессе теплопередачи может сильно изменять свой объем и совершать работу. Поэтому теплоемкость газообразного вещества зависит от характера термодинамического процесса. Обычно рассматриваются два значения теплоемкости газов: – молярная теплоемкость в изохорном процессе () и – молярная теплоемкость в изобарном процессе ().
Изменение внутренней энергии газа прямо пропорционально изменению его температуры.
Отношение может быть найдено из уравнения состояния идеального газа, записанного для 1 моля:
| , |
где – универсальная газовая постоянная. При
| = + . |
Молярная теплоемкость газа в процессе с постоянным давлением всегда больше молярной теплоемкости в процессе с постоянным объемом (рис. 3.10.1).
Отношение теплоемкостей в процессах с постоянным давлением и постоянным объемом играет важную роль в термодинамике. Оно обозначается греческой буквой .
В частности, это отношение входит в формулу для адиабатического процесса (см. §3.9).
Между двумя изотермами с температурами и на диаграмме () возможны различные пути перехода. Поскольку для всех таких переходов изменение температуры одинаково, следовательно, одинаково изменение внутренней энергии. Однако, совершенные при этом работы и полученные в результате теплообмена количества теплоты окажутся различными для разных путей перехода. Отсюда следует, что у газа имеется бесчисленное количество теплоемкостей. и – это лишь частные (и очень важные для теории газов) значения теплоемкостей.
Термодинамические процессы, в которых теплоемкость газа остается неизменной, называются политропическими . Все изопроцессы являются политропическими. В случае изотермического процесса , поэтому . В адиабатическом процессе , следовательно, .
Следует отметить, что «теплоемкость», как и «количество теплоты» – крайне неудачные термины. Они достались современной науке в наследство от теории теплорода , господствовавшей в XVIII веке. Эта теория рассматривала теплоту как особое невесомое вещество, содержащееся в телах. Считалось, что оно не может быть ни создано, ни уничтожено. Нагревание тел объяснялось увеличением, а охлаждение – уменьшением содержащегося внутри них теплорода. Теория теплорода несостоятельна. Она не может объяснить, почему одно и то же изменение внутренней энергии тела можно получить, передавая ему разное количество теплоты в зависимости от работы, которую совершает тело. Поэтому лишено физического смысла утверждение, что «в данном теле содержится такой-то запас теплоты».
В молекулярно-кинетической теории устанавливается следующее соотношение между средней кинетической энергией поступательного движения молекул и абсолютной температурой :
Внутренняя энергия 1 моля идеального газа равна произведению на число Авогадро :
При изменении температуры на внутренняя энергия изменяется на величину
Коэффициент пропорциональности между и равен теплоемкости при постоянном давлении:
Это соотношение хорошо подтверждается в экспериментах с газами, состоящими из одноатомных молекул (гелий, неон, аргон). Однако, для двухатомных (водород, азот) и многоатомных (углекислый газ) газов это соотношение не согласуется с экспериментальными данными. Причина такого расхождения состоит в том, что для двух- и многоатомных молекул средняя кинетическая энергия должна включать энергию не только поступательного, но и вращательного движения молекул.
На рис. 3.10.2 изображена модель двухатомной молекулы. Молекула может совершать пять независимых движений: три поступательных движения вдоль осей , , и два вращения относительно осей и . Опыт показывает, что вращение относительно оси , на которой лежат центры обоих атомов, может быть возбуждено только при очень высоких температурах. При обычных температурах вращение около оси не происходит, так же как не вращается одноатомная молекула. Каждое независимое движение называется степенью свободы . Таким образом, одноатомная молекула имеет 3 поступательные степени свободы, «жесткая» двухатомная молекула имеет 5 степеней (3 поступательные и 2 вращательные), а многоатомная молекула – 6 степеней свободы (3 поступательные и 3 вращательные).
В классической статистической физике доказывается так называемая теорема о равномерном распределении энергии по степеням свободы :
Если система молекул находится в тепловом равновесии при температуре , то средняя кинетическая энергия равномерно распределена между всеми степенями свободы и для каждой степени свободы молекулы она равна
Из этой теоремы следует, что молярные теплоемкости газа и и их отношение могут быть записаны в виде
где – число степеней свободы газа.
Для газа, состоящего из одноатомных молекул ()
Для газа, состоящего из двухатомных молекул ()
Для газа, состоящего из многоатомных молекул ()
Экспериментально измеренные теплоемкости многих газов при обычных условиях достаточно хорошо согласуются с приведенными выражениями. Однако, в целом классическая теория теплоемкости газов не может считаться вполне удовлетворительной. Существует много примеров значительных расхождений между теорией и экспериментом. Это объясняется тем, что классическая теория не в состоянии полностью учесть энергию, связанную с внутренними движениями в молекуле.
Теорему о равномерном распределении энергии по степеням свободы можно применить и к тепловому движению частиц в твердом теле. Атомы, входящие в состав кристаллической решетки, совершают колебания около положений равновесия. Энергия этих колебаний и представляет собой внутреннюю энергию твердого тела. Каждый атом в кристаллической решетке может колебаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Следовательно, каждый атом имеет 3 колебательные степени свободы. При гармонических колебаниях средняя кинетическая энергия равна средней потенциальной энергии. Поэтому в соответствии с теоремой о равномерном распределении на каждую колебательную степень свободы приходится средняя энергия , а на один атом – . Внутренняя энергия твердого вещества равна:
| . |
Это соотношение называется законом Дюлонга–Пти . Для твердых тел практически не существует различия между и из-за ничтожно малой работы при расширении или сжатии.
Опыт показывает, что у многих твердых тел (химических элементов) молярная теплоемкость при обычных температурах действительно близка к . Однако, при низких температурах наблюдаются значительные расхождения между теорией и экспериментом. Это показывает, что гипотеза о равномерном распределении энергии по степеням свободы является приближением. Наблюдаемая на опыте зависимость теплоемкости от температуры может быть объяснена только на основе квантовых представлений.