Курс лекций по физике "МКТ и термодинамика" для студентов первого курса СПО

Г(О)Б ПОУ "Задонский политехнический техникум" Учебно-методический по физике (ЭУМК "Физика. комплекс Молекулярная физика и термодинамика") для студентов 1 курса преподаватель физики Г(О)Б ПОУ ЗПТ Акатова Галина Сергеевна 1. Введение. УВАЖАЕМЫЙ СТУДЕНТ!         Учебно­методический комплекс по дисциплине (далее УМКД)  Физика создан Вам в помощь для работы на занятиях,  при выполнении домашнего задания и подготовки к текущему и итоговому контролю по дисциплине.  УМКД включает теоретический блок, перечень практических занятий и/или лабораторных работ, задания по самостоятельному изучению тем дисциплины, вопросы для самоконтроля, перечень точек рубежного контроля, а также вопросы и задания по промежуточной аттестации (экзамена).   Приступая   к   изучению   новой   учебной   дисциплины,   Вы   должны   внимательно   изучить   список рекомендованной основной и вспомогательной литературы. Из всего массива рекомендованной литературы следует опираться на литературу, указанную как основную.   По  каждой теме  в УМК перечислены основные понятия и термины, вопросы, необходимые для изучения (план изучения темы), а также краткая информация по каждому вопросу из подлежащих изучению.  Наличие тезисной информации по теме позволит Вам вспомнить ключевые моменты, рассмотренные преподавателем на занятии.   Основные понятия курса приведены в глоссарии.   После изучения теоретического блока приведен   перечень практических и лабораторных работ, выполнение   которых   обязательно.   Наличие   положительной   оценки   по   практическим   и лабораторным работам необходимо для получения зачета по дисциплине и допуска к экзамену, поэтому   в   случае   отсутствия   на   уроке   по   уважительной   или   неуважительной   причине   Вам потребуется найти время и выполнить пропущенную работу.  В   процессе   изучения   дисциплины   предусмотрена   самостоятельная   внеаудиторная   работа, включающая проработку конспектов занятий, учебной и специальной технической литературы (по вопросам   к   параграфам,   главам   учебных   пособий,   составленным   преподавателем),     поиска информации и отчета в форме компьютерной презентации, оформления лабораторной работы, отчета и подготовки к её защите.  Содержание  рубежного контроля (точек  рубежного контроля) составлено  на основе  вопросов самоконтроля, приведенных по каждой теме.  По  итогам изучения дисциплины проводится экзамен.   Экзамен сдается по билетам либо в тестовом варианте, вопросы к которому приведены в конце УМКД.  В результате освоения дисциплины Вы должны достичь следующих целей:  – освоение знаний  о фундаментальных физических законах и принципах, лежащих в основе современной   физической   картины   мира:  свойствах   вещества   и   поля,   пространственно­ временных   закономерностях,   динамических   и   статистических   законах   природы, элементарных   частицах   и   фундаментальных   взаимодействиях,   строении   и   эволюции Вселенной;   знакомство   с   основами   фундаментальных   физических   теорий   ­   классической механики,   классической электродинамики,   специальной   теории   относительности,   элементов   квантовой   теории;   молекулярно­кинетической   теории,   термодинамики, – наиболее важных открытиях в области физики, оказавших определяющее влияние на развитие техники и технологии; методах научного познания природы; овладение   умениями  проводить   наблюдения,   планировать   и   выполнять   эксперименты, выдвигать   гипотезы   и   строить   модели,   применять   полученные   знания   по   физике   для объяснения разнообразных физических явлений и свойств веществ; практически использовать физические знания; оценивать достоверность естественнонаучной информации; ќ – развитие  познавательных   интересов,   интеллектуальных   и   творческих   способностей   в процессе приобретения знаний и умений по физике с использованием различных источников информации и современных информационных технологий,  выполнения экспериментальных исследований, подготовки докладов, рефератов и других творческих работ; воспитание  убежденности   в   возможности   познания   законов   природы,   использования достижений   физики   на   благо   развития   человеческой   цивилизации;   необходимости сотрудничества   в   процессе   совместного   выполнения   задач,   уважительного   отношения   к мнению оппонента при обсуждении проблем естественнонаучного содержания; готовности к морально­этической оценке использования научных достижений, чувства ответственности за защиту окружающей среды;  ќ использование   приобретенных   знаний   и   умений  для   решения   практических   задач повседневной  жизни,    объяснения  явлений природы, свойств вещества,  принципов работы технических   устройств,  обеспечения   безопасности   собственной   жизни,   рационального природопользования  и охраны окружающей среды и возможность применения  знаний при решении задач, возникающих в последующей профессиональной деятельности.  В результате изучения физики Вы должны знать/понимать: – смысл   понятий:   физическое   явление,   физическая   величина,   модель,   гипотеза,   принцип, постулат, теория, пространство, время, инерциальная система отсчета, материальная точка, вещество,   взаимодействие,   идеальный   газ,   резонанс,   электромагнитные   колебания, электромагнитное поле, электромагнитная волна, атом, квант, фотон, атомное ядро, дефект массы, энергия связи, радиоактивность, ионизирующее излучение, планета, звезда, галактика, Вселенная: – смысл   физических   величин:   перемещение,   скорость,   ускорение,   масса,   сила,   давление, импульс, работа, мощность, механическая энергия, момент силы, период, частота, амплитуда колебаний, длина волны, внутренняя энергия, средняя кинетическая энергия частиц вещества, абсолютная   температура,   количество   теплоты,   удельная   теплоемкость,   удельная   теплота парообразования,   удельная   теплота   плавления,   удельная   теплота   сгорания,   элементарный электрический   заряд,   напряженность   электрического   поля,   разность   потенциалов, электроемкость,   энергия   электрического   поля,   сила   электрического   тока,   электрическое напряжение,   электрическое   сопротивление,   электродвижущая   сила,   магнитный   поток, индукция   магнитного   поля,   индуктивность,   энергия   магнитного   поля,   показатель преломления, оптическая сила линзы; – смысл физических законов, принципов и постулатов (формулировка, границы применимости): законы динамики Ньютона, принципы суперпозиции и относительности, закон Паскаля, закон Архимеда, закон Гука, закон всемирного тяготения, законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда, основное уравнение кинетической теории газов, уравнение состояния идеального газа, законы термодинамики, закон Кулона, закон Ома для полной цепи, закон Джоуля­Ленца, закон электромагнитной индукции, законы отражения и преломления света, постулаты   специальной   теории   относительности,   закон   связи   массы   и   энергии,   законы фотоэффекта,   постулаты   Бора,   закон   радиоактивного   распада;   основные   положения изучаемых физических теорий и их роль в формировании научного мировоззрения; – вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики; уметь: – описывать и объяснять результаты наблюдений и экспериментов: независимость ускорения свободного падения от массы падающего тела; нагревание газа при его быстром сжатии и охлаждение   при   быстром   расширении;   повышение   давления   газа   при   его   нагревании   в закрытом сосуде; броуновское движение; электризация тел при их контакте; взаимодействие проводников   с   током;   действие   магнитного   поля   на   проводник   с   током;   зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещения; электромагнитная индукция; распространение   электромагнитных   волн;   дисперсия,   интерференция   и   дифракция   света; излучение и поглощение света атомами, линейчатые спектры; фотоэффект; радиоактивность; – приводить   примеры   опытов,   иллюстрирующих,   что:   наблюдения   и   эксперимент   служат основой   для   выдвижения   гипотез   и   построения   научных   теорий;   эксперимент   позволяет проверить   истинность   теоретических   выводов;   физическая   теория   дает   возможность объяснять явления природы и научные факты; физическая теория позволяет предсказывать еще неизвестные явления и их особенности; при объяснении природных явлений используются физические модели; один и тот же природный объект или явление можно исследовать на основе   использования   разных   моделей;   законы   физики   и   физические   теории   имеют   свои определенные границы применимости; – описывать фундаментальные опыты, оказавшие существенное влияние на развитие физики; – применять полученные знания для решения физических задач; – определять:   характер   физического   процесса   по   графику,   таблице,   формуле;   продукты ядерных реакций на основе законов сохранения электрического заряда и массового числа; – измерять: скорость, ускорение свободного падения; массу тела, плотность вещества, силу, работу, мощность, энергию, коэффициент трения скольжения, влажность воздуха, удельную теплоемкость   вещества,   удельную   теплоту   плавления   льда,   электрическое   сопротивление, ЭДС   и   внутреннее   сопротивление   источника   тока,   показатель   преломления   вещества, оптическую силу линзы, длину световой волны; представлять результаты измерений с учетом их погрешностей; – приводить   примеры   практического   применения   физических   знаний:   законов   механики, термодинамики   и   электродинамики   в   энергетике;   различных   видов   электромагнитных излучений для развития радио­ и телекоммуникаций; квантовой физики в создании ядерной энергетики, лазеров; – воспринимать   и   на   основе   полученных   знаний   самостоятельно   оценивать   информацию, содержащуюся   в   сообщениях   СМИ,   научно­популярных   статьях;   использовать   новые информационные технологии для поиска, обработки и предъявления информации по физике в компьютерных базах данных и сетях (сети Интернета); – использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной – обеспечения   безопасности   жизнедеятельности   в   процессе   использования   транспортных средств, бытовых электроприборов, средств радио­ и телекоммуникационной связи; – анализа и оценки влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей – рационального природопользования и защиты окружающей среды; – определения собственной позиции по отношению к экологическим проблемам и поведению в жизни для: среды; природной среде; приобретения практического опыта деятельности, предшествующей профессиональной, в основе которой лежит данный учебный предмет В результате освоения дисциплины у Вас должны формироваться общие компетенции (ОК):  Название ОК Результат, который Вы должны получить после изучения содержания УД/МДК (показатели) Понимать сущность и социальную значимость своей  будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.  Уметь организовывать собственную деятельность, исходя из  цели и способов ее достижения, определенных руководителем. Правильно анализировать рабочую ситуацию,  осуществлять текущий и итоговый контроль, оценку и  коррекцию собственной деятельности, нести ответственность  за результаты своей работы. ОК 1. Понимать сущность и  социальную значимость своей  будущей профессии, проявлять к  ней устойчивый интерес. ОК 2. Организовывать  собственную деятельность, исходя  из цели и способов ее достижения,  определенных руководителем. ОК 3. Анализировать рабочую  ситуацию, осуществлять текущий и  итоговый контроль, оценку и  коррекцию собственной  деятельности, нести  ответственность за результаты  своей работы. ОК 4. Осуществлять поиск  информации, необходимой для  эффективного выполнения  профессиональных задач ОК 5. Использовать  информационно­коммуникационные технологии в профессиональной  деятельности. ОК 6. Работать в команде,  эффективно общаться с коллегами,  руководством, клиентами. Внимание! Если в ходе изучения дисциплины у Вас возникают трудности, то Вы всегда можете прийти на дополнительные занятия к преподавателю, которые проводятся согласно графику. Время проведения консультаций Вы сможете узнать у преподавателя, а также познакомившись   с   графиком   их   проведения,   размещенном   на   двери   кабинета преподавателя.  Работать в команде, эффективно общаться с  коллегами, руководством, Уметь осуществлять поиск информации, необходимой  для эффективного выполнения профессиональных задач Грамотно использовать информационно­коммуникационные  технологии в профессиональной деятельности. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МАРШРУТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ Таблица 1  Формы отчетности, обязательные для сдачи лабораторные занятия   практические занятия   точки рубежного контроля   итоговая аттестация количество 22 24 4 экзамен Желаем Вам удачи! преподаватель физики Г(О)Б ПОУ ЗПТ Акатова Галина Сергеевна СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Краткое содержание теоретического материала программы. Введение. Физика и познание мира Раздел 1. Механика Раздел 2. Молекулярная физика. Термодинамика Раздел 3. Электродинамика Раздел 4. Колебания и волны Раздел 5. Оптика  Раздел 6. Элементы квантовой физики  Раздел 7. Эволюция вселенной преподаватель физики Г(О)Б ПОУ ЗПТ Акатова Галина Сергеевна Раздел 2. Основы молекулярной физики и термодинамики. В   физике   для   описания   взаимодействия   частиц   (атомов,   молекул,   ионов),   составляющих   тело, применяют два метода: молекулярно­кинетический (статический) и термодинамический. Молекулярно­кинетический   метод  основан   на   представлении   о  том,   что  все   вещества   состоят  из молекул, находящихся в хаотическом движении. Так как число молекул огромно, с помощью законов статистики   можно   выявить   определенные   закономерности   для   вещества   в   целом.   Термодинамический метод исходит из основных опытных законов ­ законов термодинамики ­ без рассмотрения внутреннего строения вещества. Молекулярная физика — раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе  рассмотрения их молекулярного строения. Задачи молекулярной физики решаются методами  статистической механики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и  взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела. Мы живём в мире макроскопических тел. Наше тело ­ это тоже макроскопическое тело. Запомни: Макроскопические тела ­ эта тела, состоящие из огромного числа молекул. Например, газ в баллоне, вода в стакане, камень, стальной стержень, земной шар. Интересно: В механике Ньютона имеют с механическим движением макроскопических тел ­ перемещение одних тел относительно других с течением времени. Запомни:  Тепловыми  называются явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры. Механическое   движение   не   вызывает   катастрофических   столкновений.   Но   нагревание   или охлаждение тела способно изменить его до неузнаваемости. Сильно нагрев прозрачную, но всё же видимую воду,   мы   превратим   её   в   невидимый   пар.   Сильное   охлаждение   превратит   воду   в   кусок   льда.   Если вдуматься, то эти явления загадочны и удивительны, они не вызывают нашего изумления лишь потому, что мы привыкли к ним с детства. Важно: Надо найти законы, которые могли бы объяснить изменения в телах, когда сами тела неподвижны и когда с точки зрения механики с ними не происходит ничего. Эти законы описывают особый   вид   движения   материи   ­   тепловое   движение,   присущее   всем   макроскопическим   телам независимо от того, перемещаются они в пространстве или нет. Запомни: Тепловое движение ­ это беспорядочное движение частиц. Историческая справка. Ученик о том, что все тела состоят из отдельных частиц ­ атомов, возникло в Древней   Греции   в   IV   в   до   н.э.   Основоположником   атомистической   теории   был   философ   Демокрит. Воззрения Демокрита, естественно, весьма далеки от современных представлений, но они сыграли важную роль   в   развитии   физики.   Среди   трудов   крупных   философов­физиков,   занимавшихся   учением   о молекулярном   строении   вещества,   особую   роль   сыграли   труды   великого   русского   ученого   М.В. Ломоносова.   Ученый   выдвинул   гипотезу   о   том,   что   теплота   есть   движение   нечувствительных   частиц. Характер этого движения может быть вращательным, поступательным, колебательным. Им были рассмотрены вопросы вращательного движения молекул и объяснены  тепловые явления, происходящие при этом виде движения. Он отвергал господствовавшее   в то время учение о теплороде ­ некоторой невесомой жидкости, якобы определяющей тепловые свойства тел, и утверждал, что "теплота состоит во внутреннем движении материи" Работа М.В. Ломоносова "Размышления о причине теплоты и холода" (1750 г) представляет собой набросок будущей Науки ­ термодинамики. В ней учёный объяснил происхождение теплоты при трении.  Основные представления, высказанные Ломоносовым, были в дальнейшем развиты Л. Больцманом, Р. Клаузиусом, Д. Максвеллом, Л. Гей­Люссаком, А. Авогадро и др. В   XVIII   в.   с   трудов   М.В.   Ломоносова   и   начала   развиваться   последовательная   молекулярно­ кинетическая теория. Запомни: Молекулярно­кинетическая теория (МКТ) ­ учение, которое объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела.  Важно:  МКТ   даёт   объяснение   свойств   макроскопических   тел   и   тепловых   процессов, происходящих   в   них,   на   основе   представлений   о   том,   что   все   тела   состоят   из   отдельных беспорядочно движущихся частиц. Термодинамика —   раздел   физики,   изучающий   наиболее   общие   свойства   макроскопических   систем   и способы передачи и превращения энергии в таких системах.  В   термодинамике   изучаются   состояния   и   процессы,   для   описания   которых   можно   ввести   понятие температуры.  Термодинамика  —   это   феноменологическая   наука,   опирающаяся   на   обобщения   опытных   фактов. Термодинамика   имеет   следующие   черты:     не   рассматривает   атомную   структур   материи;   использует величины, которые определяются только для макроскопической системы; построение теории основывается на известных опытных фактах; свойства вещества выражаются в форме характеристических параметров (плотность,   вязкость   и   т.д.)   Процессы,   происходящие   в   термодинамических   системах,   описываются макроскопическими величинами (температура, давление, концентрации компонентов), которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике. Термодинамика изучает тепловые свойства макроскопических систем, не обращаясь к микроскопическому строению тел, составляющих   систему.  Она  строится  на  базе  нескольких   принципов  ­  начал термодинамики,  которые представляют собой обобщение известных многочисленных опытных данных. Теоретическим изучением свойств вещества занимается статистическая физика, которая дала обоснование законов термодинамики и определила границу их применения.  Историческая справка.  Исторически начало термодинамики с изучением коэффициента полезного действия тепловых машин. Развитие техники и повсеместное распространение тепловых машин в первой половине   XIX   в.   настоятельно   требовали   развития   теории   тепловых   процессов.   Однако   физики   того времени  не могли  дать  стройной теории  тепловых  процессов  на  основе  молекулярных  представлений, поэтому развитие теории пошло по своеобразному пути. В 1824 году французский физик и инженер С. Карно   в   работе   "Размышление   о   движущей   силе   огня"   сформулировал   принцип,   согласно   которому производительность   тепловой   машины   зависит   не   от   рабочего   вещества,   а   от   разности   температур нагревателя и холодильника. В дальнейшем термодинамика получила развитие в работах Б. Клапейрона, Дж. Джоуля, Р. Клаузиуса, Ю. Майера, У. Томсона и др. Карно Никола Леонард Сади (01.06.1796­24.08.1832 гг) преподаватель физики Г(О)Б ПОУ ЗПТ Акатова Галина Сергеевна Тема 2.1. Основы молекулярно­кинетической теории Основные понятия и термины по теме: идеальный газ, тепловое движение, диффузия, молекула, атом,   броуновское   движение,   количество   вещества,   молярная   масса,   абсолютный   нуль температуры, абсолютная температура. План изучения темы: 1.   Основные   положения   молекулярно­кинетической   теории.  Наблюдения   и   опыты, подтверждающие атомно­молекулярное строение вещества.  2.   Строение   газообразных,   жидких   и   твердых   тел.   Скорости   движения   молекул   и   их измерение. 3.   Идеальный   газ.   Давление   газа.   Основное   уравнение   молекулярно­кинетической   теории газов.   4.   Температура   и   ее   измерение.   Газовые   законы.   Абсолютный   нуль   температуры. Термодинамическая шкала температуры. 5. Уравнение состояния идеального газа. Молярная газовая постоянная. Краткое изложение теоретических вопросов:  1.  Основные положения молекулярно­кинетической теории. Наблюдения и опыты,  подтверждающие основные положения МКТ. Многочисленные опыты позволили сформулировать основные положения молекулярно­ кинетической теории: Важно:  1. Все тела сосотоят из мельчайших частиц ­ атомов, молекул, в состав которых входят  еще болеемелкие элементарные частицы (электроны, протоны и нейтроны). Строение  любого вещества дискретно (прерывисто). 2. Атомы и молекулы вещества всегда находятся в непрерывном хаотическом  движении. 3.   Между   частицами   любого   вещества   сущекствуют   силы   взаимодействия   ­ притяжения и отталкивания. Природа сил ­ электромагнитная. Каждое положение строго доказано с помощью опытов.  Все тела состоятиз огромного числа молекул и атомов. Так как размеры атомов и молекул очень   малы,   то   увидеть   их   невоооруженным   глазом   нельзя.   Только   с   помощью   электронного микроскопа,   дающего   увеличение   в   30   000   раз   и   более,   были   сфотографированы   отдельные крупные   молекулы.   Методом   рентгеноструктурного   анализа   с   хорошей   точностью   можно определить размеры молекул. Данные рентгеносруктурного анализа показывают, что наибольший линейный   размер   двуатомной   молекулы   кислорода   порядка   м,   такой   размер   имеют молекулы азота. Классическая молекулярно­кинетическая теория не касается вопроса о строении атомов   и   молекул,   рассматривая   их   упрощенно   как   твердые   частички   сферической   формы диаметром   в   среднем   порядка  10­9–10­10  м.   Это   означает,   что   десять   миллионов   молекул, уложенные вплотную друг к другу вдоль прямой линии, составят молекулярную цепочку длиной всего   лишь   в   1–10   мм.   О   том,   чо   размеры   молекул   малы,   можно   судить   и   без   измерений. Например, в 1 л (10­3 м3) чистой воды развести 1 мм3 зелёных чернил, т.е. разбавим чернила в 1 000 000 раз. Расвор имее зелёную окраску и вместе с тем однороденю Это свидетельствует о том, что даже   при   незначительном   рабавлении   в   воде   находится   большое   число   молекул   красящего веществав (чернил).  Большие успехи, достигнутые в последнее время в изучении строения веществ, раскрыли перед нами новый мир ­ мир мельчайших частиц ­ микромир, который оказался очень сложным. Молекулы любого тела состоят из электронв и ядер. Ядра атомов включают в себы протоны и нейтроны ­ частицы, которые также имеют сложное строение. Интересно: при каждом вдохе вы захватываете столько молекул, что если бы всек они после ввыдоха равномерно распределились в атмосфер Земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы две­три молекулы, побывавшие в ваших лёгких. Запомни:  Молекула  ­   наименьшая   устойчивая   частица   вещества,   обрладающая   его основными   свойствами   и   состоящая   из   атомов,   соединенных   между   собой   химическими связями.