В каком 11 классе урок “Электроустройство” занимает первое место по физике? План урока физики в 10 классе. «Строение газообразных, жидких и твердых тел»

Глава 14. Электростатика

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (7-9)

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (10-11) (БУ)

Линия УМК Г. Я. Мякишева, М.А. Петровой. Физика (10-11) (Б)

Линия УМК А. Е. Гуревича. Физика (7-9)

Термодинамика – раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы
Термодинамика – раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы

В термодинамике имеют дело не с отдельны-ми молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинами-ческими системами

В термодинамике тепловые явления описы-ваются макроскопическими величинами – давление, температура, объём.

Внутренняя энергия идеального газа
Внутренняя энергия тела (обозначается U) – сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов или молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия

Средняя кинетическая энергия одного атома

k = 1,38 ∙ 10-23Дж/К – постоянная Больцмана

T – температура по Кельвину

i – число степеней свободы – число возможных независимых направлений движения молекулы

i = 3 для одноатомного газа

i = 5 для двухатомного газа

i = 6 для трёхатомного (многоатомного) газа

Внутренняя энергия данной массы идеально-го газа зависит лишь от одного макроскопи-ческого параметра –термодинамической температуры

М = ma∙NA– молярная масса газа

R = kNA – молярная газовая постоянная

NA = 6,022 ∙ 10-23 моль-1 – постоянная Авогадро

m = ma∙N – масса газа

Общая формула внутренней энергии идеального газа

i – число степеней свободы

Т – температура газа (K)

p – давление идеального газа

М = ma∙NA– молярная масса газа

R = kNA – молярная газовая постоянная

NA = 6,022 ∙ 10-23 моль-1 – постоянная Авогадро

Внутренняя энергия идеального газа

m – масса газа

V – объём газа

Изменение внутренней энергии

Изменение внутренней энергии ∆U равно разности её конечного U2 и начального U1 значений ∆U = U2 – U1

Изменение внутренней энергии системы
Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы
Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы

Количество теплоты, получаемое телом, – энергия, передаваемая телу извне в результате теплообмена (взаимодействия с другим телом без совершения работы)

Процесс теплообмена может происходить только при контакте двух тел

За счет изменения внутренней энергии при теплообмене не может совершаться работа

Д.З. §55
Ответить на вопросы к §55
Задачи №1, 2, 3 к §55

В восьмом классе мы уже
затрагивали тему тепловых двигателей. Напомним, что тепловым двигателем
называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в
механическую энергию.

Для примера рассмотрим
газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Очевидно, что для того, чтобы привести
поршень в движение, необходима разность давления по обе стороны поршня. В
тепловых двигателях эта разность достигается путем повышения температуры газа.
Нагретый газ обладает достаточно большой внутренней энергией и, расширяясь,
совершает работу.

Однако, по мере
расширения газ охлаждается, теряя свою внутреннюю энергию. Конечно, для
нормальной работы двигателя необходима цикличность. То есть, после
совершения работы, газ необходимо перевести в первоначальное состояние.

Итак, принципиальная
схема работы теплового двигателя такова: от нагревателя рабочему телу (то есть
газу) передается некоторое количество теплоты.

Под этим подразумевается
сжигание топлива, в результате которого температура газа повышается на сотни
градусов. Внутренняя энергия газа увеличивается и, за счет неё он совершает
работу до тех пор, пока не охладится до температуры холодильника (роль
холодильника, как правило, выполняет окружающая среда). Очевидно, что газ не
может потерять всю свою внутреннюю энергию (если только не охладится до
абсолютного нуля). Поэтому, некоторое количество теплоты будет передано
холодильнику.

Важными характеристиками
теплового двигателя являются следующие величины: количество теплоты,
полученное от нагревателя, температура нагревателя (то есть
температура образовавшегося газа), температура холодильника, количество
теплоты, переданное холодильнику и полезная работа. Полезная работа
определяется как разность между количеством теплоты, полученным от нагревателя
и количеством теплоты, отданном холодильнику:

Конечно же, любой
двигатель характеризуется такой величиной как коэффициент полезного действия.
Для теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению
совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Если мы подставим в это
уравнение выражение для полезной работы, то убедимся, что КПД теплового
двигателя не может быть больше единицы (то есть не может превышать 100%):

Для наглядности мы можем
изобразить графически работу теплового двигателя.

Законы термодинамики
позволяют вычислить максимальный возможный КПД для данного теплового двигателя.
Впервые это сделал ученый и инженер Сади Карно. Карно справедливо рассудил, что
максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины. В этой тепловой
машине рабочим телом был идеальный газ, а цикл состоял из двух изотерм и двух
адиабат:

Таким образом, цикл Карно
описывает максимальную возможную работу газа с минимальными потерями энергии.
Итак, максимальный возможный КПД данной тепловой машины определяется отношением
разности температуры нагревателя и температуры холодильника к температуре
нагревателя:

Необходимо отметить, что
в данном уравнении следует использовать абсолютную температурную шкалу. Как
видно из формулы, и этот КПД не может быть больше единицы, если только
температура холодильника не равна абсолютному нулю. Исходя из всего выше
перечисленного, мы можем заключить следующее: КПД любого теплового двигателя
не может превышать КПД идеального теплового двигателя.

Примеры решения задач.

Задача 1. Температура
холодильника равна 20 ℃. Какова должна быть
температура нагревателя, чтобы стало возможным достичь значения КПД теплового
двигателя, равное 85%?

Задача 2. Двигатель
внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 45 МДж. Если КПД этого
двигателя составляет 55%, то, сколько литров бензина было израсходовано на
совершение данной работы? Плотность бензина равна 710 кг/м^𝟑.

Тепловые двигатели Презентация к уроку в 10 классе учителя физики ГБОУ СОШ №339 Невского района Санкт-Петербурга Кузьмичева Олега Вадимовича

Тепловой двигатель – это устройство, совершающее работу за счет использования в нутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. Примеры тепловых машин: 1.Двигатель внутреннего сгорания (ДВС ) а) карбюраторный двигатель б) дизельный двигатель в) реактивный двигатель 2.Паровые и газовые турбины.

Кто и когда построил Конец 18 века – построены первые паровые машины. 1774 год – английским изобретателем Джеймсом Уаттом построена первая универсальная паровая машина. С 1775 по 1785 г. – фирмой Уатта построено 56 паровых машин. С 1785 по 1795г. – той же фирмой поставлено уже 144 такие машины.

Тепловая машина Дж. Уатта

Первые тепловые двигатели Кто и когда изобрёл? Деви Папин – английский физик, один из изобретателей парового двигателя. 1680г. – изобрёл паровой котёл 1681г. – Снабдил его предохранительным клапаном 1690г. – Первым использовал пар для поднятия поршня и описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя. 1707г. – Представил описание своего двигателя

Первый паровой автомобиль 1770 г. Жан Кюньо – французский инженер, построил первую самодвижущуюся тележку, предназначенную для передвижения артиллерийских орудий

Первые повозки Николя Жозефа Кюньо

Младший брат паровоза 1803 г. – Английский изобретатель Ричард Тревитик сконструировал первый паровоз. Через 5 лет Тревитик построил новый паровоз . он развивал скорость до 30 км/ч 1816г. – Не имея поддержки, Тревитик разорился и уехал в Южную Америку

Решающая роль 1781-1848 г. – Английский конструктор и изобретатель Джордж Стефенсон 1814г. – Начал заниматься строительством паровозов. 1823 г. – Основал первый в мире паровозостроительный завод 1829г. – На соревновании лучших локомотивов первое место занял паровоз Стефенсона «Ракета». Его мощность составляла 13 л.с., а скорость 47 км/ч.

Двигатель внутреннего сгорания 1860г. – Французским механиком Ленуаром был изобретён двигатель внутреннего сгорания 1878 г. – Немецким изобретателем Отто сконструирован четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания . 1825 г. – Немецким изобретателем Даймлером был создан бензиновый двигатель внутреннего сгорания Примерно в то же время Бензиновый двигатель был разработан Костовичем в России.

Двигатели Дизеля 1896г. – Немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. Это наиболее экономичные тепловые двигатели 1)работают на дешёвых видах топлива 2) имеют КПД 31-44 % 29 сентября 1913г. сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.

Тепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой тепловой машине должно быть: рабочее вещество, или тело , которое в рабочей части машины совершает механическую работу, нагреватель , где рабочее вещество получает энергию холодильник отбирающий у рабочего тела тепло. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.

Рабочее тело Q 1 Q 2 Нагреватель Т 1 Холодильник Т 2 Основные части тепловой машины. A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2 A = Q 1 – Q 2

КПД теплового двигателя (машины) Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики .

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T нагр и холодильника T хол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q , то Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости ʋ . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД :

Коэффициент полезного действия некоторых тепловых машин. Карбюраторный двигатель 25% Дизельный двигатель 38% Реактивный двигатель 30% Паровая турбина 25% Газовая турбина 55%

Экологические последствия работы тепловых двигателей Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов. 2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания). 3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца. Экологические последствия работы тепловых двигателей

Авторский урок физики в 10 профильном классе.
Учитель физики высшей категории
Рыженко Александра Федоровна.
ЧСШ №1.
г. Саяногорск 2010 г.

1.Сформировать понятие о физических принципах действия тепловых двигателей.

1.Сформировать понятие о физических принципах действия тепловых двигателей.
2.Познакомить учащихся с важнейшими направлениями применения тепловых двигателей в народном хозяйстве.
3. Выяснить экологические проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей.

Вращайтесь, мощные колеса,
Свистите, длинные ремни,
Горите свыше, впрямь и косо,
Над взмахами валов, огни!
Пуды, бросая, как пригоршню,
В своем разлете роковом
Спешите, яростные поршни,
Бороться с мертвым естеством!
Валерий Брюсов

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

1690

– пароатмосферная машина Д.Папена

1690 – пароатмосферная машина Д.Папена
1705 – пароатмосферная машина Т.Ньюкомена для подъема воды из шахты
1763-1766 – паровой двигатель И.И.Ползунова
1784 – паровой двигатель Дж.Уатта
1865 – двигатель внутреннего сгорания Н.Отто
1871 – холодильная машина К.Линде
1897 – двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (с самовоспламенением)

В апреле 1763 г. Ползунов
демонстрировал работу
огнедействующей машины
«для заводских нужд»

К 1863 году был готов первый образец атмосферного газового двигателя с поршнем от авиационного мотора и ручным стартером, работавшим на смеси бензина и воздуха.

Двигатель внутреннего сгорания Н.Отто

1878 – 1888 гг. Рудольф Дизель работает над созданием двигателя принципиально новой конструкции. В голову ему приходит создание абсорбционного двигателя, работавшего на аммиаке, а в роли топлива должна была выступать специальная пудра, полученная из каменного угля.

УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Три основных элемента любого теплового двигателя:
1.Нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу.
2. Рабочее тело (газ или пар), совершающее работу.
3.Холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Принцип действия теплового двигателя основан на свойстве газа или пара при расширении совершать работу.
В процессе работы теплового двигателя периодически повторяются расширения и сжатия газа.
Расширения газа происходят самопроизвольно, а сжатия под действием внешней силы.

Нагреватель. T₁

Холодильник. T₂

Рабочее тело

Q₁ – Q₂= A

Как работает тепловой двигатель?

Коэффициент полезного действия теплового двигателя
(КПД) – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл,
к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Карно Никола Леонард Сади (1796-1832 г.)- французский физик и инженер. Свои исследования он изложил в сочинении «размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Он предложил идеальную тепловую машину.

1 – 2 – изотермическое расширение.
А₁₂ = Q₁
2 – 3 – адиабатное расширение
А ₂₃ = – ∆U₂₃
3 – 4 – изотермическое сжатие
A₃₄= A сж = Q₂
4 – 1 – адиабатное сжатие
A₄₁= ∆U₄₁

«Тепловые двигатели наоборот» это : холодильник, кондиционер и тепловой насос.

«Тепловые двигатели наоборот» это : холодильник, кондиционер и тепловой насос.
В них происходит передача тепла от более холодного к более нагретому, что требует совершения работы.
Работу производит электродвигатель, подключенный к источнику тока.

«ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ НАОБОРОТ»,
ИХ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

Q₁- количество теплоты, отобранное у продуктов.
Q₂ – количество теплоты, переданное воздуху в помещении.
А – работа электрического тока.

Рабочее тело

Q₂=Q₁+A

Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации.
С их помощью вырабатывается около 80 % электроэнергии.
Без тепловых двигателей (ДД, ДВС) невозможно представить современный транспорт.
Паротурбинные двигатели применяются на водном транспорте.
Газотурбинные – в авиации.
Ракетные двигатели используются в ракетно – космической технике.

Первый практически пригодный пароход построен в 1807 году Фультоном. (амер)
Первый российский пароход «Елизавета» построен в 1815 году на заводе предпринимателя К.Н.Берда.
Его первый рейс был из Петербурга в Кронштадт.

В 1829 году инженер Дж. Стефенсон построил лучший для того времени паровоз «Ракета».

В 1829 году инженер Дж. Стефенсон построил лучший для того времени паровоз «Ракета».
Первый тепловоз построен в 1924г. советским ученым Л.М.Таккелем.
Тепловоз приводит в движение двигатель внутреннего сгорания

Прообразом современного автомобиля считают самодвижущуюся повозку немецких механиков Г.Даймлера и Бенца. В 1883 году легкий ДВС был установлен на обычный конный экипаж.

Прообразом современного автомобиля считают самодвижущуюся повозку немецких механиков Г.Даймлера и Бенца. В 1883 году легкий ДВС был установлен на обычный конный экипаж.

17 декабря 1903 года американские изобретатели Орвил и Уилбур Райт провели испытание первого в мире самолета – аэроплана (планера, снабженного ДВС).

17 декабря 1903 года американские изобретатели Орвил и Уилбур Райт провели испытание первого в мире самолета – аэроплана (планера, снабженного ДВС).
Полет продолжался 12 секунд на высоте
3 метра от земли.

17 августа 1933 года в воздух поднялась на высоту около 400 м первая советская жидкостная ракета, сконструированная М.К.Тихомировым.

17 августа 1933 года в воздух поднялась на высоту около 400 м первая советская жидкостная ракета, сконструированная М.К.Тихомировым.
4 октября 1957 года был запущен первый искусственный спутник Земли.

Схема двигателя внутреннего сгорания.
1.- камера сгорания;
2- поршень;
3- кривошипно – шатунный механизм;
4 – радиатор в системе охлаждения;
5 – вентилятор
6 – система выпуска газов.

80 % – бесполезные потери
20 % – полезно затраченная энергия:
3 % – освещение
4 % – преодоление сопротивления
4 % – работа силы трения колес
9 % – движение автомобиля

ПОВЫШЕНИЕ
КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Использование тепловых двигателей дает человеку огромные возможности и одновременно является наиболее сильным фактором
разрушения природы.

«Могущество страны не только в одном материальном богатстве, но и в духе народа.

«Могущество страны не только в одном материальном богатстве, но и в духе народа.
Чем шире, свободнее эта душа, тем большего величия и силы достигает государство.
А что воспитывает широту духа, как не эта удивительная природа!
Её надо беречь, как мы бережём самую жизнь человека.
Потомки никогда не простят нам опустошения земли, надругательства над тем, что по праву принадлежит не только нам, но и им.»
П.И.Чайковский

Технологическая карта урока физики

Вартанян Марина Анатольевначитель физики МБОУ «Волоконовская СОШ №1»

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика-10 класс. Издательство «Просвещение»

Броуновское движение. Строение газообразных, жидких и твердых тел.

Урок «открытия» нового знания.

организовать деятельность учащихся по получению, осмыслению и первичному закреплению блока новой учебной информации (определение броуновского движения, изучить строение твердых, жидких и газообразных тел; свойства тел в разных агрегатных состояниях)

формирование представлений о Броуновском движении, формирование представлений о строении газообразных, жидких и твердых тел, их свойствах, использовать знания о строении веществ в повседневной жизни

развивать умение определять цели и задачи деятельности, выбирать средства реализации цели и применять их на практике, использовать различные источники для получения информации, выявлять причинно-следственные связи, искать аналогии и работать в команде, формировать умение анализировать факты при наблюдении и объяснении явлений, проводить наблюдения, опыты, обобщать и делать выводы

формирование умений управлять своей учебной деятельностью, формирование интереса к физике при анализе физических явлений, формирование мотивации раскрытием связи теории и опыта, развитие внимания, памяти, логического и творческого мышления

учебник, компьютер, проектор, презентация к уроку, рабочие карты для учащихся.

на демонстрационном столе – стакан с водой, сахар, резиновый мячик, резиновый шнур, 2 пластиковые бутылки (с воздухом и водой), мензурка с водой, сосуды разной формы.

Технологическая карта урока

§ 85. Закон Кулона. Единица электрического заряда

Приступим к изучению количественных законов электромагнитных взаимодействий. Основной закон электростатики — закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен Шарлем Кулоном в 1785 г. и носит его имя.

Если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними.

Вспомните, что и закон всемирного тяготения тоже сформулирован для тел, которые можно считать материальными точками.

Заряженные тела, размерами и формой которых можно пренебречь при их взаимодействии, называются точечными зарядами.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу взаимодействия заряженных тел, она оказывается почти такой же, как и в вакууме.

Опыты Кулона. Идея опытов Кулона аналогична идее опыта Кавендиша по определению гравитационной постоянной. Открытие закона взаимодействия электрических зарядов было облегчено тем, что эти силы оказались велики и благодаря этому не нужно было применять особо чувствительную аппаратуру, как при проверке закона всемирного тяготения в земных условиях. С помощью крутильных весов удалось установить, как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела.

Крутильные весы состоят из стеклянной палочки, подвешенной на тонкой упругой проволочке (рис. 14.3). На одном конце палочки закреплён маленький металлический шарик а, а на другом — противовес с. Ещё один металлический шарик b закреплён неподвижно на стержне, который, в свою очередь, крепится на крышке весов.

При сообщении шарикам одноимённых зарядов они начинают отталкиваться друг от друга. Чтобы удержать их на фиксированном расстоянии, упругую проволочку нужно закрутить на некоторый угол до тех пор, пока возникшая сила упругости не скомпенсирует кулоновскую силу отталкивания шариков. По углу закручивания проволочки определяют силу взаимодействия шариков.

Крутильные весы позволили изучить зависимость силы взаимодействия заряженных шариков от значений зарядов и от расстояния между ними. Измерять силу и расстояние в то время умели. Единственная трудность была связана с зарядом, для измерения которого не существовало даже единиц. Кулон нашёл простой способ изменения заряда одного из шариков в 2, 4 и более раза, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в известном отношении. Новое значение силы взаимодействия при новом заряде определялось экспериментально.

Закон Кулона. Опыты Кулона привели к установлению закона, поразительно напоминающего закон всемирного тяготения.

Cила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Силу взаимодействия зарядов называют кулоновской силой.

где k — коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице длины. Его значение зависит от выбора системы единиц.

Подумайте, может ли сила взаимодействия при увеличении одного из зарядов остаться прежней.

Такую же форму (14.2) имеет закон всемирного тяготения, только вместо заряда в закон тяготения входят массы, а роль коэффициента к играет гравитационная постоянная.

Легко обнаружить, что два заряженных шарика, подвешенные на нитях, либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Отсюда следует, что

силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды (рис. 14.4).

Окончание параграфа >>>

Закон Кулона. Единица электрического заряда (окончание)

Подобные силы называют центральными. В соответствии с третьим законом Ньютона _1,2 = –_2,1.

Единица электрического заряда. Выбор единицы заряда, как и других физических величин, произволен. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но этот заряд слишком мал, и поэтому пользоваться им в качестве единицы заряда не всегда удобно.

В Международной системе единиц (СИ) единица заряда является не основной, а производной и эталон для неё не вводится. Наряду с метром, секундой и килограммом в СИ введена основная единица для электрических величин — единица силы тока — ампер. Эталонное значение ампера устанавливается с помощью магнитных взаимодействий токов.

Единицу заряда в СИ — кулон устанавливают с помощью единицы силы тока.

Один кулон (1 Кл) — это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А: 1 Кл = 1 А • 1 с.

Единица коэффициента k в законе Кулона при записи его в единицах СИ — Н • м²/Кл², так как согласно формуле (14.2) имеем

k = 9 • 10⁹ Н • м²/Кл². (14.4)

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов, по 1 Кл каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой 1 т. Поэтому сообщить небольшому телу (размером порядка нескольких метров) заряд в 1 Кл невозможно. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться на теле. Никаких других сил, способных в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует. Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампочке мощностью 200 Вт при напряжении 220 В сила тока немного меньше 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.

Вместо коэффициента k часто применяется другой коэффициент, который называется электрической постоянной ε₀. Она связана с коэффициентом k следующим соотношением:

Закон Кулона в этом случае имеет вид

Если заряды взаимодействуют в среде, то сила взаимодействия уменьшается:

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

Минимальный заряд, существующий в природе, — это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен:

е = 1,6 • 10^-19 Кл. (14.5)

Заряд, который можно сообщить телу, всегда кратен минимальному заряду:

где N — целое число. Когда заряд тела существенно больше по модулю минимального заряда, то проверять кратность не имеет смысла, однако когда речь идёт о заряде частиц, ядер атомов, то заряд их должен быть всегда равен целому числу модулей заряда электрона.

Ключевые слова для поиска информации по теме параграфа.

Кулон. Закон Кулона. Опыт Кулона

Вопросы к параграфу

Образцы заданий ЕГЭ

А1. Какая из приведённых ниже формул выражает в СИ модуль силы взаимодействия точечных зарядов -q₁ и +q₂, расположенных на расстоянии r друг от друга в вакууме? Определите, электрические заряды притягиваются или отталкиваются.

А2. Сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов

А3. С какой силой взаимодействуют два маленьких заряженных шарика, находящиеся в вакууме на расстоянии 9 см друг от друга? Заряд каждого шарика равен 3 • 10^-6 Кл.

1) 0,09 Н 2) 1 Н 3) 10 Н 4) 3,3 • 10⁶ Н

А4. Два точечных заряда действуют друг на друга с силой 12 Н. Какой будет сила взаимодействия между ними, если уменьшить значение каждого заряда в 2 раза, не меняя расстояние между ними?

1) 3 Н 2) 6 Н 3) 24 Н 4) 48 Н

А5. Два точечных электрических заряда действуют друг на друга с силами 9 мкН. Какими станут силы взаимодействия между ними, если, не меняя расстояние между зарядами, увеличить модуль каждого из них в 3 раза?

1) 1 мкН 2) 3 мкН 3) 27 мкН 4) 81 мкН

<<< К началу параграфа Следующая страница >>>

Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном?

05 июля 2019

1. Определение первого закона термодинамики

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях. Собственно, именно с анализа принципов первых тепловых машин, паровых двигателей и их эффективности и зародилась термодинамика. Можно сказать, что этот раздел физики начинается с небольшой, но очень важно работы молодого французского физика Николя Сади Карно.

Самым важным законом, лежащим в основе термодинамики является первый закон или первое начало термодинамики. Чтобы понять суть этого закона, для начала, вспомним что называется внутренней энергией. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ тела — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит. Нам хорошо известно, что внутреннюю энергию тела можно изменить, изменив температуру тела. А изменять температуру тела можно двумя способами:

совершая работу (либо само тело совершает работу, либо над телом совершают работу внешние силы);
осуществляя теплообмен — передачу внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Нам, также известно, что работа, совершаемая газом, обозначается А_г, а количество переданной или полученной внутренней энергии при теплообмене называется количеством теплоты и обозначается Q. Внутреннюю энергию газа или любого тела принято обозначать буквой U, а её изменение, как и изменение любой физической величины, обозначается с дополнительным знаком Δ, то есть ΔU.

Физика. 10 класс. Базовый уровень. Учебник

Большое количество красочных иллюстраций, графиков и схем, разнообразные вопросы и задания, а также дополнительные сведения и любопытные факты способствуют эффективному усвоению учебного материала.

Сформулируем ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ для газа. Но, прежде всего, отметим, что когда газ получает некоторое количество теплоты от какого-либо тела, то его внутренняя энергия увеличивается, а когда газ совершает некоторую работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Именно поэтому первый закон термодинамики имеет вид:

ΔU = Q — A_г

Так как работа газа и работа внешних сил над газом равны по модулю и противоположны по знаку, то первый закон термодинамики можно записать в виде:

ΔU = Q + A_внеш.

Понять суть этого закона довольно просто, ведь изменить внутреннюю энергию газа можно двумя способами: либо заставить его совершить работу или совершить над ним работу, либо передать ему некоторое количество теплоты или отвести от него некоторое количество теплоты.

2. Первый закон термодинамики в процессах

Применительно к изопроцессам первый закон термодинамики может быть записан несколько иначе, учитывая особенности этих процессов. Рассмотрим три основных изопроцесса и покажем, как будет выглядеть формула первого закона термодинамики в каждом из них.

Изотермический процесс — это процесс, происходящий при постоянной температуре. С учётом того, что количество газа также неизменно, становится ясно, что так как внутренняя энергия зависит от температуры и количества газа, то в этом процессе она не изменяется, то есть U = const, а значит ΔU = 0, тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: Q = A_г.
Изохорный процесс — это процесс, происходящий при постоянном объёме. То есть в этом процессе газ не расширяется и не сжимается, а значит не совершается работа ни газом, ни над газом, тогда Аг = 0 и первый закон термодинамики приобретает вид: ΔU = Q.
Изобарный процесс — это процесс, при котором давление газа неизменно, но и температура, и объём изменяются, поэтому первый закон термодинамики имеет самый общий вид: ΔU = Q — А_г.
Адиабатный процесс — это процесс, при котором теплообмен газа с окружающей средой отсутствует (либо газ находится в теплоизолированном сосуде, либо процесс его расширения или сжатия происходит очень быстро). То есть в таком процессе газ не получает и не отдаёт количества теплоты и Q = 0. Тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: ΔU = —А_г.

3. Применение

Первое начало термодинамики (первый закон) имеет огромное значение в этой науке. Вообще понятие внутренней энергии вывело теоретическую физику 19 века на принципиально новый уровень. Появились такие понятия как термодинамическая система, термодинамическое равновесие, энтропия, энтальпия. Кроме того, появилась возможность количественного определения внутренней энергии и её изменения, что в итоге привело учёных к пониманию самой природы теплоты, как формы энергии.

Ну, а если говорить о применении первого закона термодинамики в каких-либо задачах, то для этого необходимо знать два важных факта. Во-первых, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна: а во-вторых, работа газа численно равна площади фигуры под графиком данного процесса, изображённого в координатах p—V. Учитывая это, можно вычислять изменение внутренней энергии, полученное или отданное газом количество теплоты и работу, совершённую газом или над газом в любом процессе. Можно также определять коэффициент полезного действия двигателя, зная какие процессы в нём происходят.

4. Методические советы учителям

Обязательно обратить внимание учащихся на знаки работы газа, количества теплоты и изменения внутренней энергии и научить их по графику процесса в координатах р—V определять эти знаки, для чего удобно использовать подобную таблицу:
Лучше всего, рассмотреть не только сам вид первого закона термодинамики в различных процессах, но и способы расчёта всех входящих в него величин.
Обязательно на конкретных примерах, как числовых, так и графических, показать применение первого закона термодинамики.
Уделить особое внимание процессу, в котором давление линейно зависит от объёма — с графиками и примерами применения к этому процессу первого закона термодинамики.
Показать примеры на расчёт коэффициента полезного действия по графику циклического процесса с применением первого закона термодинамики и формул работы газа и изменения его внутренней энергии.