Конспект лекций по физике для довузовской подготовки москва -2014

Конспект
лекций
80 
3. 
Что
называют
атомной
единицей
массы
? 
относительной
молеку
-
лярной
массой
? 
4. 
Дайте
определение
моля
вещества
. 
5. 
Перечислите
агрегатные
состояния
, 
в
которых
может
находиться
вещество
, 
в
чем
их
принципиальное
различие
? 
6. 
Сформулируйте
понятие
температуры
. 
Назовите
принятые
едини
-
цы
измерения
температуры
в
различных
температурных
шкалах
. 
7. 
Дайте
определение
идеального
газа
. 
8. 
Запишите
в
виде
формулы
основное
уравнение
молекулярно
-
кинетической
теории
газа
. 
9. 
Сформулируйте
закон
Авогадро
и
Дальтона
. 
10. 
Запишите
в
виде
формулы
уравнение
Клапейрона
-
Менделеева
и
поясните
физический
смысл
входящих
в
него
величин
. 
11. 
Сформулируйте
законы
Бойля
-
Мариотта
, 
Гей
-
Люссака
, 
Шарля
. 
12. 
Что
изучает
термодинамика
? 
13. 
Что
называют
внутренней
энергией
вещества
? 
14. 
Какой
процесс
называют
теплопередачей
? 
15. 
Что
такое
теплота
? 
16. 
Сформулируйте
I 
начало
термодинамики
для
различных
процессов
. 
17. 
Что
называют
теплоемкостью
тела
, 
удельной
теплоемкостью
? 
18. 
Какие
процессы
сопровождают
переход
вещества
из
одного
агре
-
гатного
состояния
в
другое
? 
19. 
Что
называют
удельной
теплотой
плавления
, 
удельной
теплотой
парообразования
, 
удельной
теплотой
сгорания
? 
20. 
Что
называют
тепловой
машиной
? 
Чему
равен
КПД
идеальной
тепловой
машины
? 
21. 
Дайте
определение
насыщенных
паров
, 
абсолютной
и
относи
-
тельной
влажности
. 
22. 
Что
называют
коэффициентом
поверхностного
натяжения
? 
23. 
Дайте
определение
смачивающей
(
несмачивающей
) 
жидкости
. 
24. 
Чему
равна
высота
подъема
жидкости
в
капиллярной
трубке
? 

В
.
А
. 
Никитенко
, 
А
.
П
. 
Прунцев
81
Лекция
 
№
 6 
 
6.1. 
Основы
 
электродинамики
. 
Электростатика
.
Общие
 
понятия
 
Одним
из
важных
представлений
электродинамики
является
понятие
электрического
заряда
. 
Электрический
 
заряд
 
–
 
материаль
-
ный
 
источник
 
электромагнитного
 
поля
, 
это
 – 
внутренняя
 
характе
-
ристика
 
элементарных
 
частиц
, 
определяющая
 
их
 
электромагнитное
 
взаимодействие
 (
скалярная
 
физическая
 
величина
)
. 
Согласно
полевой
модели
взаимодействия
частиц
(
в
дальней
-
шем
рассмотрим
и
квантово
-
механическую
) 
заряженная
частица
так
возмущает
окружающее
пространство
, 
что
любая
другая
заряженная
частица
, 
помещенная
в
область
этого
пространства
, 
будет
испытывать
действие
силы
. 
Говорят
, 
что
на
частицу
действует
электромагнитное
поле
. 
Электрическая
 
составляющая
такого
поля
связана
с
самим
фактом
присутствия
заряженной
частицы
(
источника
) 
в
рассматри
-
ваемой
области
пространства
, 
магнитная
 
– 
с
ее
движением
. 
Любое
заряженное
тело
можно
представить
как
совокупность
заряженных
частиц
, 
создающих
общее
электромагнитное
поле
.
Электростатика
 
– 
раздел
электродинамики
, 
в
котором
рас
-
сматривается
взаимодействие
неподвижных
электрических
зарядов
(
через
электростатическое
поле
). 
Конечно
, 
такой
подход
является
не
-
которым
приближением
, 
так
как
заряды
– 
неподвижные
относительно
одной
системы
отсчета
, 
всегда
движутся
относительно
какой
-
либо
другой
(
достаточно
вспомнить
, 
что
Земля
вращается
). 
Однако
, 
такой
подход
удобен
тем
, 
что
можно
не
учитывать
магнитное
поле
. 
Различают
два
типа
электрических
зарядов
, 
условно
назван
-
ные
положительными
и
отрицательными
. 
Носителями
электриче
-
ских
зарядов
являются
элементарные
частицы
, 
в
частности
частицы
, 
которые
входят
в
состав
атомов
: 
электрон
(
отрицательный
заряд
) 
и
протон
(
положительный
заряд
). 
Электрону
и
протону
присущи
наи
-
меньшие
неделимые
заряды
, 
их
называют
элементарными
(+
е
– 
для
протона
, –
е
– 
для
электрона
). 
Единицей
измерения
заряда
в
СИ
явля
-
ется
кулон
(1
Кл
=6.25

10
18
е
). 
Элементарный
заряд
е
по
модулю
равен
(1,6021892

0,0000046)

10
-19
Кл
или
приближенно
1,6

10
-19
Кл
. 
Тело
бу
-

Конспект
лекций
82 
дет
заряженным
, 
если
имеет
неодинаковое
число
положительных
и
отрицательных
элементарных
зарядов
. 
Тем
не
менее
, 
обратите
вни
-
мание
на
закон
 
сохранения
 
электрического
 
заряда
, 
который
гласит
, 
в
 
электрически
 
изолированной
 
системе
(
отсутствует
 
обмен
 
элек
-
трически
 
заряженными
 
частицами
 
с
 
окружающей
 
средой
) 
алгебраи
-
ческая
 
сумма
 
электрических
 
зарядов
 
остается
 
постоянной
.
Установлено
, 
что
взаимодействие
одноименно
заряженных
частиц
(
тел
) 
имеет
характер
отталкивания
, 
а
заряженных
разноименно
– 
притяжения
. 
6.2. 
Закон
 
Кулона
. 
Напряженность
 
и
 
потенциал
 
электрического
поля
. 
Силовые
 
линии
 
Взаимодействие
заряженных
тел
регламентирует
закон
 
Ку
-
лона
, 
установленный
французским
физиком
Ш
. 
Кулоном
опытным
путем
с
помощью
изобретенных
им
крутильных
весов
в
1785 
году
: 
в
 
вакууме
 
сила
 
взаимодействия
 
между
 
двумя
 
точечными
 
неподвиж
-
ными
 
зарядами
 
пропорциональна
 
произведению
 
этих
 
зарядов
, 
обрат
-
но
 
пропорциональна
 
квадрату
 
расстояния
 
между
 
ними
 
и
 
направлена
 
вдоль
 
прямой
, 
соединяющей
 
эти
 
заряды
, 
то
 
есть
F = k

2
2
1
r
q
q
, 
(6.1) 
где
в
СИ
коэффициент
пропорциональности
k=9

10
9
2
Кл
м
Н
2

Окружающая
среда
влияет
на
взаимодействие
зарядов
:
 
вели
-
чина
, 
которая
 
показывает
, 
во
 
сколько
 
раз
 
сила
 
взаимодействия
 
ме
-
жду
 
электрическими
 
зарядами
 
в
 
данной
 
среде
 
меньше
, 
чем
 
в
 
вакууме
, 
называется
 
диэлектрической
 
проницаемостью
 
среды
(

), 
напри
-
мер
, 
для
воздуха

=1,0006, 
для
воды

=81 
и
т
.
д
. (
существуют
специ
-
альные
таблицы
). 
Закон
Кулона
для
точечных
зарядов
, 
погруженных
в
жидкий
и
газообразный
диэлектрик
, 
имеет
вид
F = k
2
2
1
r
q
q

, 
(6.2) 

В
.
А
. 
Никитенко
, 
А
.
П
. 
Прунцев
83
Знак
силы
в
уравнениях
(6.1, 6.2) 
показывает
ее
направление
от
-
носительно
взаимодействующих
зарядов
, 
минус
– 
заряды
притягивают
-
ся
, 
плюс
– 
отталкиваются
. 
Обычно
рассчитывают
модуль
силы
взаимо
-
действия
, 
в
этом
случае
соотношение
(6.2) 
переписывается
в
виде
: 
 
F = k
2
2
1
r
q
q

,
(6.3) 
Во
многих
задачах
используют
рационализированную
форму
записи
закона
Кулона
 
F = 
2
0
2
1
r
4
q
q



, 
(6.4) 
где

0
=
k
4
1


=8,85

10
-12
2
м
Н
2
Кл

=8,85

10
-12
м
ф
и
называется
электриче
-
ской
постоянной
. 
Если
взаимодействуют
заряженные
тела
, 
размерами
которых
нельзя
пренебречь
по
сравнению
с
расстоянием
между
ними
(
неточеч
-
ные
), 
то
для
нахождения
силы
их
взаимодействия
, 
эти
тела
мысленно
разбивают
на
малые
заряженные
элементы
(
которые
можно
считать
то
-
чечными
) 
и
рассчитывают
кулоновские
силы
взаимодействия
каждой
пары
зарядов
, 
затем
проводят
векторное
сложение
этих
сил
. 
Количественной
характеристикой
силового
действия
электри
-
ческого
поля
на
заряженные
объекты
служит
векторная
величина
Е
– 
напряженность
 
электрического
 
поля
, 
которая
равна
силе
, 
дейст
-
вующей
 
на
 
единичный
 
положительный
 
точечный
 
заряд
, 
помещенный
 
в
 
данную
 
точку
 
поля
 
и
 
которая
 
направлена
 
в
 
сторону
 
действия
 
ре
-
зультирующей
 
сил
, 
приложенных
 
к
 
заряду
.
Если
на
точечный
заряд
q+ (
положительный
) 
в
некоторой
точке
поля
действует
сила
F
, 
то
на
-
пряженность
электрического
поля
в
этой
точке
Е
=

q
F
. 
(6.5) 

Конспект
лекций
84 
Единицей
измерения
напряженности
электрического
поля
в
СИ
является
Н
/
Кл
, 
или
, 
как
увидим
в
дальнейшем
В
/
м
, 
общепринятой
является
вольт
на
метр
. 
В
случае
создания
элек
-
трического
поля
точечным
заря
-
дом
q
, 
его
напряженность
в
точке
N
(
см
. 
рис
. 6.1) 
определяется
со
-
гласно
(6.2), 
как
Е
= k
3
r
q

r
, (6.6) 
где
r
– 
радиус
-
вектор
, 
проведенный
в
рассматриваемую
точку
N 
из
точки
, 
где
находится
заряд
q
, 
создающий
поле
. 
Модуль
вектора
напряженности
поля
точечного
заряда
рас
-
считывается
по
формуле
Е
= k
2
0
2
r
4
q
r
q



.
(6.7) 
Если
электрическое
поле
создают
несколько
точечных
источ
-
ников
(n), 
то
его
результирующая
напряженность
рассчитывается
по
 
принципу
 
суперпозиции
 
полей
: 
Е
= 
i
n


1
Е
i
. 
(6.8) 
Электрическое
поле
принято
изображать
с
помощью
линий
 
напряженности
. 
Это
линии
, 
касательные
 
к
 
которым
 
в
 
каждой
 
точ
-
ке
 
совпадают
 
с
 
направлением
 
вектора
 
Е
 
в
 
данной
 
точке
, 
а
 
их
 
густо
-
та
 
пропорциональна
 
модулю
 
вектора
 
Е
 
в
 
данном
 
месте
 
поля
.
Примеры
(
рис
. 6.2): 
 
 
 
 
 
q
r
N
E
q
E
N
Рис
. 6.1.
 
+ 
– 

В
.
А
. 
Никитенко
, 
А
.
П
. 
Прунцев
85
Электрическое
поле
, 
напряженность
 
которого
 
во
 
всех
 
точ
-
ках
 
одинакова
 
по
 
модулю
 
и
 
направлению
, 
называется
однородным
. 
Его
, 
например
, 
могут
создать
две
разноименно
заряженные
плоские
пластины
(
рис
. 6.2, 
г
). 
Из
соображений
симметрии
понятно
, 
что
равномерно
заря
-
женная
сфера
вне
себя
создает
электрическое
поле
, 
аналогичное
полю
точечного
заряда
той
же
величины
, 
что
и
заряд
сферы
q,
если
этот
заряд
поместить
в
центр
сферы
(
рис
. 6.3). 
Таким
образом
, 
формула
(6.7) 
позволяет
вычислить
модуль
вектора
напряженности

Е

в
любой
точке
вне
равномерно
заряжен
-
ной
сферы
. 
Силы
электростатического
поля
являются
консервативными
. 
Как
известно
, 
тело
, 
помещенное
в
консервативное
поле
сил
, 
обладает
потенциальной
энергией
, 
которая
определяется
с
точностью
до
опре
-
деленной
постоянной
величины
. 
Энергия
вносимого
в
поле
заряда
отсчитывается
от
бесконеч
-
ности
, 
то
есть
за
границей
действия
электростатического
поля
, 
где
принимается
равной
нулю
. 
Энергетической
характеристикой
электро
-
статического
поля
является
потенциал
. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
+ + + + +

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
– – – – –
 
 
а
)

 
б
)
 
 
 
 
в
) 
 
 
г
)
 
Рис
. 6.2.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
q

0 
q

0 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис
. 6.3.
 
+
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–

Конспект
лекций
86 
Потенциалом
 
электростатического
 
поля
 

называют
ска
-
лярную
 
величину
, 
численно
 
равную
 
потенциальной
 
энергии
, 
которой
 
обладает
 
в
 
данной
 
точке
 
поля
 
единичный
 
положительный
 
заряд
. 
Ес
-
ли
 
в
 
данной
 
точке
 
поля
 
точечный
 
положительный
 
заряд
 q+ 
имеет
 
потенциальную
 
энергию
 
W
п
,
 
то
 

= 

q
W
п
. 
(6.9) 
Единица
потенциала
– 
вольт
(
В
), 
то
есть
потенциал
такой
точки
поля
, 
в
которой
заряд
в
1 
Кл
обладает
потенциальной
энергией
1 
Дж
. 
Потенциал
поля
, 
созданного
точечным
зарядом
q
, 
равен

= k
r
q

= 
r
4
q
0



. 
(6.10) 
При
r = 

, 

= 0. 
Таким
образом
, 
потенциал
 – 
это
физическая
вели
-
чина
, 
определяемая
 
работой
 
сил
 
электростатического
 
поля
 
по
 
пере
-
мещению
 
единичного
 
положительного
 
заряда
 
из
 
данной
 
точки
 
поля
 
в
 
бесконечность
.
Если
поле
создается
несколькими
зарядами
(n), 
то
потенциал
 
поля
 
системы
 
зарядов
будет
равен
 
алгебраической
 
сумме
 
потенциа
-
лов
 
отдельных
 
полей
 
всех
 
образующих
 
систему
 
зарядов
: 

= 
i
n


1

i
, 
(6.11) 
считаем
среду
однородной
по
всем
направлениям
(

= const). 
При
этом
знак
«+» 
приписывается
потенциалу
поля
, 
созданного
положи
-
тельным
зарядом
, 
знак
«–» – 
отрицательным
. 
Работа
, 
совершаемая
силами
электростатического
поля
при
пере
-
мещении
заряда
Q 
из
точки
1 
в
точку
2, 
будет
равна
(
см
. 
соотношение
6.9): 
А
12
=
2
1
п
п
W
W

= Q (

1 
– 

2
) ,
(6.12) 
где
 
(

1 
– 

2
) – 
разность
потенциалов
двух
точек
1 
и
2 
в
электростати
-
ческом
поле
(
она
задается
работой
, 
совершаемой
силами
поля
, 
при
пе
-
ремещении
единичного
положительного
заряда
из
точки
1 
в
точку
2).
Поскольку
поле
электростатических
сил
имеет
консерватив
-
ный
характер
, 
работа
этих
сил
при
переносе
заряда
по
замкнутому
контуру
равна
нулю
.

В
.
А
. 
Никитенко
, 
А
.
П
. 
Прунцев
87
Если
мы
обозначим
через
d 
расстояние
между
двумя
очень
близкими
точками
поля
, 
принадлежащими
одной
силовой
линии
, 
то
модуль
вектора
напряженности
Е
определяется
как
Е
= 





м
B
d
2
1


,
(6.13) 
где
 
(

1 
– 

2
) – 
разность
потенциалов
между
рассматриваемыми
точ
-
ками
1 
и
2. 
В
однородном
поле
напряженность
остается
всегда
постоян
-
ной
, 
поэтому
соотношение
(6.13) 
справедливо
для
любых
расстояний
d 
между
двумя
точками
одной
и
той
же
силовой
линии
. 
Если
точки
1 
и
2 
принадлежат
разным
силовым
линиям
однородного
электрическо
-
го
поля
, 
то
под
d 
понимается
проекция
отрезка
, 
соединяющего
точки
1 
и
2, 
на
направление
линий
напряженности
электрического
поля
. 
Примеры
(
рис
. 6.4): 
Е
= 
Е
1
+
Е
2
, 
Е
= 
Е
1
–
Е
2 
= k
 
2
2
r
q
– 
– k 
 
2
2
r
q
= 0 

 =
k
 
2
r
q
+ k
 
 
2
r
q
= 
2k
 
2
r
q
 . 
Е
= 
Е
1
+
Е
2
, 
Е
= 
Е
1
+
Е
2 
=2k
 
q
r
2
2


 =
k
 
2
r
q
– k
 
 
2
r
q
=
0 . 
1)
r 
1 
2 
q 
Е
2
Е
1
q 
E 
– 
? 

– ? 

 = 

1 +

2
,
2)
r 
q 
Е
1
=
 
Е
2
q 
E 
– 
? 

– ? 

 = 

1 +

2
,
r/2 
r/2
r/2 
r/2

Конспект
лекций
88 
Е
= 
Е
1
+
Е
2
, 
Е
= 
Е
1
cos30

+
Е
2 
cos30

=2k
2
r
q
cos30

. 

= 

1 +

2
= 2k
r
q
. 
В
данных
примерах
q – 
модуль
соответствующего
заряда
.
 
 
 
 
6.3. 
Проводники
 
и
 
диэлектрики
 
в
 
электрическом
 
поле
 
Если
в
электрическое
поле
внести
проводник
(
металл
, 
элек
-
тролит
, 
плазму
), 
то
в
нем
произойдет
перераспределение
свободных
зарядов
, 
которое
называется
электрической
 
индукцией
.

жүктеу/скачать 1,26 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: