Ньютона независимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только при действии силы, т.е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраняться при взаимодействии тел. Это энергия и импульс. Импульсом тела называют векторную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается p. Единица измерения импульса – кг м/с. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: p=mv. Направление вектора импульса p совпадает с направлением вектора скорости тела v. Рис.
Для импульса тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых физических систем. В общем случае замкнутой называют систему, которая не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в неё. В механике замкнутой называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. В этом случае p1=p2, где p1 – начальный импульс системы, а p2 – конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид m1v1+m2v2=m1v1’+m2v2’, где m1 и m2 – массы тел, v1 и v2 – скорости до взаимодействия, v1’ и v2’ – скорости после взаимодействия. Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса: импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых взаимодействиях, происходящих внутри этой системы; т.е. в замкнутой физической системе геометрическая сумма импульсов тел до взаимодействия равна геометрической сумме импульсов этих тел после взаимодействия. В случае не замкнутой системы импульс тел системы не сохраняется. Однако если в системе существует направление, по которому внешние силы не взаимодействуют или их действия скомпенсировано, то сохраняется проекция импульса на это направление. Кроме того, если время взаимодействия мало (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае не замкнутой системы внешние силы не значительно изменяют импульсы взаимодействующих тел. Поэтому для практических расчётов в этом случае тоже можно применять закон сохранения импульса.
Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел - от планет и звёзд до атомов и элементарных частиц – показали, что в любой системе взаимодействующих тел при отсутствии действия со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел действительно остаётся неизменной.
В механике закон
сохранения импульса и законы Ньютона связаны между собой. Если на тело массой m в течение времени t действует сила и скорость его движения изменяется
от v0 до v, то
ускорение движения a тела равно
На основании второго закона
Ньютона для силы F можно записать F=ma=m
, отсюда следует Ft=mv-mv0.
Ft – векторная физическая величина, характеризующая действие на тело силы за некоторый промежуток времени и равная произведению силы на время t её действия, называют импульсом силы. Единица импульса в СИ – 1 Н с.
Билет 4.
Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул. Постоянная Авогадро.
МКТ – это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом состоянии, скорость которого определяет температуру вещества.
3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.
Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объём объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твёрдых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твёрдые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твёрдыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии – способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого – тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твёрдых тел в жидкостях, сварка металлов путём их расплавления или путём давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение – непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, не растворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путём было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения – уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.
Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества v принято считать пропорциональным числу частиц, т.е. структурных элементов, содержащихся в теле.
Единицей количества вещества является моль. Моль – это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:
NA=N/v. NA=6,02 Ч 1023 моль-1.
Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярной массой называют величину, равную отношению массы вещества к количеству вещества: М=M/v.
Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:
m0=m/N=m/vNA=M/NA.
Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.
Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: m=29,9Ч1027кг.
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Mr. Относительная молярная масса – это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.
Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на котором им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера