Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение



Скачать 229.57 Kb.
страница2/2
Дата02.02.2013
Размер229.57 Kb.
ТипДокументы
1   2

Такие колебания происходят по закону sin или cos

Разница у этих уравнений в том, что первое соответствует колебаниям, начинающимся из положения равновесия ( при t=0 x(0)=Asin0=0), а второе – из положения максимального отклонения ( при t=0 x(0)=Acos0=A) ώ – гармоническая частота, измеряется в 1/с и связана с периодом как ώ=2π/T. Из параметров колебательной системы гармоническая частота определяется Отсюда период
При свободных колебаниях выполняется закон сохранения механической энергии, т.е. кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. Полная энергия сохраняется. Это значит, что скорость максимальна в положении равновесия (потенциальная энергия равна 0) и равна 0 при /x/ = A
Тогда полная энергия колебаний – энергия сжатой пружины при x=A

W=kA2/2

Максимальное значение кинетической энергии Wкин, мах = mVmax/2
Тогда

Таким образом кинетическая и потенциальная энергии при гармонических колебаниях непрерывно переходят друг в друга.

Все, что мы до сих пор говорили верно не только для колебаний под действием силы упругости, но и для любых колебаний, при которых возвращающая сила F =- kx .

Такой случай происходит при малых колебаниях математического маятника длины L и массы m . Математическим маятником считается маятник, который можно считать материальной точкой... Период колебаний математического маятника не зависит от его массы и равен

Опытное обоснование основных положений молекулярно-кинетической теории строения вещества. Масса и размеры молекул.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три утверждения :

  1. Вещество состоит из мельчайших частиц - молекул.

  2. Молекулы беспрерывно движутся

  3. Частицы взаимодействуют друг с другом

Данные утверждения получены и доказываются из опыта. Первоначально о размерах молекулах судили по весьма неточным и вторичным экспериментам. В настоящее время молекулы (атомы) кристаллической решетки металлов могут быть рассмотрены с помощью автоионного и автоэлектронного микроскопов. Размер атомов составляет примерно 1  (Ангстрем) = 10-10 м. Но при этом следует помнить, что расстояние между молекулами значительно превышает их размеры.

Используя автоионный или автоэлектронный микроскоп, можно определить количество молекул в единице объема вещества, и, используя эти данные, и массу одной молекулы.
Масса молекул оказалась величиной порядка 10-27-10-26 кг и поэтому, для удобства, используют атомную единицу массы, равную массе 1 нуклона или (историческое определение) 1/12 массе атома углерода. В то же время количество молекул встречающихся в реальной ситуации очень велико и поэтому из соображений удобства ввели величину «количество вещества», измеряемое в молях. Один моль - это количество вещества, в котором содержится такое же количество молекул, как и в 12 г углерода. Очевидно, что, где NA - некоторая постоянная, называемая постоянной Авогадро. NA=6.021023 шт. /моль.

Введение данной величины логически ведет за собой введение молярной массы, численно равной массе вещества в количестве 1 моля. Благодаря привязке величин молярная масса численно равна молекулярной.

Основным опытным доказательством непрерывного движения молекул является Броуновское движение, которое заключается в том, что видимые даже в не очень сильную технику макрочастицы непрерывно и хаотически движутся под действием беспрерывных ударов молекул.

Рассмотрим силы взаимодействия между молекулами. Из логических рассуждений следует, что существуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, причем при очень малых расстояниях сильнее силы отталкивания сильнее сил притяжения, а при больших наоборот. Это подтверждается, во первых, тем, что вещество не собирается в точку и расстояния между молекулами значительно превышает их размеры, а, во-вторых, существованием твердых тел, молекулы которых находятся на постоянном (в каждом направлении) расстоянии друг от друга. Теория межмолекулярного взаимодействия была разработана Ван-дер-Ваальсом и поэтому данные силы носят его имя.

При приближении молекул друг к другу в результате электрических сил электронные оболочки деформируются и молекулы поляризуются. При этом возникает сила взаимодействия двух диполей, которая является силой притяжения. При большем приближении электронные облака и ядра отталкиваются друг от друга. В зависимости от типа связи, существующей между молекулами вещества по типу вещества делятся на 4 основных класса.


Твердое

Жидкое

Газ

Плазма

Вследствие баланса между силами притяжения и отталкивания молекулы колеблются в близи определенных положений равновесия. Времена движения и стационарного положения связаны tst>>tmove

Аналогично твердым телам молекулы колеблются вблизи положений равновесия, но периодически меняют свое положение. Времена движения и стационарного положения связаны tsttmove

Расстояние между молекулами во много раз превышает расстояние характерное для сил ВдВ и молекулы находятся в хаотическом движении, взаимодействуя при столкновениях.

Особая форма вещества, при которой атомы ионизованы, т.е. произошло их разделение на ионы и электроны

Исходя из строения веществ основные свойства веществ:

  • Твердые вещества - сохраняют форму и объем

  • Жидкости - сохраняют объем, не сохраняют форму

  • Газы - заполняют весь предоставленный объем

  • Плазма - определяется конфигурацией электромагнитных полей.

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.
Эффект взаимодействия тел, имеющих электрический заряд, был обнаружен еще в древней Греции, но неправильно истолкован. Еще в греки обнаружили, что если потереть кусок янтаря о шерсть, то он способен притягивать к себе различные тела. Однако это явление было связано со свойствами янтаря (отсюда и название «электричество»). Однако фундаментальные исследования электричества первым провел Шарль Кулон.. Заряды Кулон получал методом электролизации эбонитовой палочки и куска шерсти. Кроме того Кулон имел шарики, идентичные взаимодействующим для деления заряда. Установка Кулона позволяла измерять силу взаимодействия между шариками, фиксируя расстояние между ними. В результате своих опытов Кулон сформулировал следующие положения :

  1. Существуют два вида зарядов, причем одинаковые заряды отталкиваются, а разные - притягиваются.

  2. Сила взаимодействия между зарядами пропорциональна произведению зарядов F ~ q1q2

  3. Сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Тогда силу, действующую на заряд q2 со стороны заряда q1 можно записать как . Данная формула получила название закона Кулона. Здесь первый множитель определяет абсолютное значение силы, а второй ( его модуль равен 1 ) - направление силы. Постоянная к - постоянная системы единиц. В системе СИ она равна , в системе СГС к=1.

Электрический заряд в системе СИ измеряется в кулонах. Исторически сложилось, что за положительный заряд принимают заряд атомного ядра, а за отрицательный - заряд электрона. В связи с этим направление движения зарядов в проводнике противоположно электрическому току.

Опыт с электролизацией веществ показывает, что при этом происходит перераспределение зарядов тел, изначально нейтральных. Если потереть эбонитовой палочкой о шерсть и полученные заряды передать шарам на установке Кулона, то шары будут притягиваться пока не соприкоснутся. После этого их заряды сравняются и, следовательно, станут равны 0, т.е. сила взаимодействия исчезнет. Вообще существует закон сохранения зарядов, который гласит : В замкнутой системе сумма зарядов остается неизменной. Под замкнутой системой понимают систему из которой и в которую не происходит движения зарядов.

Опыты Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора.

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него. Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но она все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу по закону Кулона, возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома.

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только через два года (в 1911 г.) после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны (рис. 9.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц. Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, то есть его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, – это попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Эта попытка оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на ядро, растратив всю энергию на излучение электромагнитных волн.

Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома сделал в 1913 году выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует отказаться от многих представлений классической физики. Он сформулировал постулаты, которым должна удовлетворять новая теория о строении атомов.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося электрона может быть любой. Он находится в противоречии и с электродинамикой, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состояни. Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии En < 0. При En ≥ 0 электрон удаляется от ядра (ионизация). Величина |E1| называется энергией ионизации. Состояние с энергией E1 называется основным состоянием атома.

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:nm = En – Em где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту излучения: Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, так как частота излучения определяется только изменением энергии атома и никак не зависит от характера движения электрона.

Теория Бора не отвергла полностью законы классической физики при описании поведения атомных систем. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Классическая ядерная модель атома Резерфорда была дополнена в теории Бора идеей о квантовании электронных орбит. Поэтому теорию Бора иногда называют полуклассической.
1   2

Похожие:

Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconПрограмма вступительного испытания по физике Иваново 2012 механика
Механическое движение и его виды. Относительность механического движения. Скорость. Ускорение. Равномерное движение. Прямолинейное...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconПрограмма по физике механика I. Кинематика
Механическое движение. Система отсчета. Относительность движения. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconКинематика зачет Прямолинейное равномерное движение
Прямолинейное движение точки. Координаты. Система отсчета. Различные способы описания движения. Равномерное прямолинейное движение,...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconЗадача по теме «Влажность воздуха»
Механическое движение. Траектория. Путь. Перемещение. Равномерное прямолинейное движение, графики зависимости скорости и координаты...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconУчебный план по физике 9 Тема занятия 1
Основная задача механики. Кинематические характеристики поступательного движения: траектория, путь, перемещение, скорость, ускорение....
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconОтсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Равномерное движение. Сложение скоростей
Механическое движение. Относительность движения. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Равномерное...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение icon«Прямолинейное равноускоренное движение»
Познакомить учащихся с характерными особенностями прямолинейного равноускоренного движения. Дать понятие об ускорении как основной...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconПрограмма вступительных испытаний по физике Механика
Механическое движение и его относительность. Уравнения прямолинейного равноускоренного движения. Криволинейное движение точки на...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconЗакон движения материальной точки, движущейся по прямой, имеет вид x = bt ct 2, где b
Движение равноускоренно, так как в уравнении координаты одно из составляющих квадрат времени. Прямолинейное равноускоренное движение...
Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение iconЗаконы взаимодействия и движения тел (27ч) 01. 01. 01
Прямолинейное равномерное движение. Скорость прямолинейного равномерного движения
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org