Молекулярная физика и термодинамика Теория теплоты Тепловые машины Силы инерции Сила упругости Релятивистская механика Преобразование и сложение скоростей Разложение Фурье Вынужденные колебания Интерференция волн

Молекулярная физика и термодинамика

Кинематика материальной точки.

Перемещение материальной точки происходит в пространстве и изменяется со временем. Реальное пространство трехмерно, положение любой момент времени полностью определяется тремя числами — ее координатами выбранной системе отсчета. Число независимых величин, задание которых необходимо для однозначного определения положения тела, называется числом его степеней свободы. В качестве системы координат выберем прямоугольную, или декартову, систему координат. Для описания движения точки, кроме координат, еще иметь устройство, с помощью которого можно измерять различные отрезки времени. Такое устройство назовем часами. Выбранная система связанные ней часы образуют

Декартовы координаты X,Y,Z определяют в пространстве радиус-вектор z, острие которого описывает при его изменении со временем траекторию материальной точки. Длина траектории точки представляет собой величину пройденного пути S(t). Путь S(t)— скалярная величина. Наряду с величиной пройденного пути, перемещение точки характеризуется направлением, в котором она движется. Разность двух радиус-векторов, взятых в различные моменты времени, образует вектор перемещения точки (рис.).

Для того чтобы характеризовать, как быстро меняется положение точки в пространстве, пользуются понятием скорости. Под средней скоростью движения по траектории за конечное время понимают отношение пройденного за это время конечного пути ко времени:

. (1.1)

Скорость движения точки по траектории — скалярная величина. Наряду с ней можно говорить о средней скорости перемещения точки. Эта скорость величина, направленная вдоль вектора перемещения,

. (1.2)

Если моменты времени t1, и t2 бесконечно близки, то время > бесконечно мало и в этом случае обозначается через dt. За время dt точка проходит бесконечно малое расстояние dS. Их отношение образует мгновенную скорость точки

. (1.3)

Производная радиус-вектора r по времени определяет мгновенную скорость перемещения точки.

. (1.4)

Поскольку перемещение совпадает с бесконечно малым элементом траектории dr = dS, то вектор скорости направлен по касательной к траектории, а его величина:

. (1.5)

На рис. показана зависимость пройденного пути S от времени t. Вектор скорости v(t) направлен по касательной к кривой S(t) в момент Из видно, что угол наклона оси t равен

.

Интегрируя выражение (1.5) в интервале времени от t0 до t, получим формулу, позволяющую вычислить путь, пройденный телом за время t-t0 если известна зависимость его скорости v(t)>

. (1.6)

Геометрический смысл этой формулы ясен из рис. По определению интеграла пройденный путь представляет собой площадь, ограниченную кривой v =v(t) в интервале от t0 до t.В случае равномерного движения, когда скорость сохраняет свое постоянное значение во все время движе­ния, отсюда следует выражение

, (1.7)

где S0 ‑ путь, пройденный к начальному времени t0.

Производную скорости по времени, которая является второй производной времени от радиус-вектора, называют ускорением точки:

. (1.8)

Вектор ускорения а направлен вдоль вектора приращения скорости dv. Пусть Этот важный и часто встречаемый случай носит название равноускоренного или равнозамедленного (в зависимости от знака величины а) движения. Проинтегрируем выражение (1.8) в пределах t = 0 до t:

 (1.9)

 (1.10)

и используем следующие начальные условия: >.

Таким образом, при равноускоренном движении

. (1.11)

В частности, при одномерном движении, например вдоль оси X, . Случай прямолинейного движения изображен на рис. При больших временах зависимость координаты от времени представляет собой параболу.

В общем случае движение точки может быть криволинейным. Рассмотрим этот тип движения. Если траектория точки произвольная кривая, то скорость и ускорение точки при ее движении по этой кривой меняются по величине и направлению.

Выберем произвольную точку на траектории. Как всякий вектор, вектор ускорения можно представить в виде суммы его составляющих по двум взаимно перпендикулярным осям. В качестве одной из осей возьмем направление касательной в рассматриваемой точке траектории, тогда другой осью окажется направление нормали к кривой в этой же точке. Составляющая ускорения, направленная по касательной к траектории, носит название тангенциального ускорения at, а направленная ей перпендикулярно — нормального ускорения an.

Получим формулы, выражающие величины at, и an через характеристики движения. Для простоты рассмотрим вместо произвольной криволинейной траектории плоскую кривую. Окончательные формулы остаются справедливыми и в общем случае неплоской траектории.

Благодаря ускорению скорость точки приобретает за время dt малое изменение dv. При этом тангенциальное ускорение, направленное по касательной к траектории, зависит только от величины скорости, но не ее направления. Это скорости равно Поэтому ускорение может быть записано как производная времени скорости:

. (1.12)

С другой стороны, изменение dvn, направленное перпендикулярно к v, характеризует только направления вектора скорости, но не его величины. На рис. показано вызванное действием нормального ускорения. Как видно из >, и, таким образом, с точностью до величины второго порядка малости величина скорости остается неизменной v=v'.

Найдем величину an. Проще всего это сделать, взяв наиболее простой случай криволинейного движения — равномерное движение по окружности. При этом at=0. Рассмотрим перемещение точки за время dt дуге dS окружности радиуса R.

Скорости v и v' , как отмечалось, остаются равными по величине. Изображенные на рис. треугольники оказываются, таким образом, подобными (как равнобедренные с равными углами при вершинах). Из подобия треугольников следует , откуда находим выражение для нормального ускорения:

. (1.13)

Формула для полного ускорения при криволинейном движении имеет вид:

. (1.14)

Подчеркнем, что соотношения (1.12), (1.13) и (1.14) справедливы для всякого криволинейного движения, а не только движения по окружности. Это связано с тем, всякий участок криволинейной траектории в достаточно малой окрестности точки можно приближенно заменить дугой Радиус этой окружности, называемый радиусом кривизны траектории, будет меняться от к точке требует специального вычисления. Таким образом, формула остается справедливой общем случае пространственной кривой.

Энтропия и информация При рассмотрении процесса передачи тепла от более нагретого к менее нагретому телу было введено понятие энтропии. Этот процесс необратим, и энтропия служит мерой его необратимости. Физическая причина необратимости — переход состояния, характеризуемого упорядоченным распределением какой-либо физической величины, состоянию беспорядка, и, следовательно, это количественная мера возникающего беспорядка. Последнее обстоятельство позволяет использовать энтропии широко: для характеристики анализа любых необратимых процессов в окружающем нас мире, том числе связанных с деятельностью человека, который является частью природы часто вносит нее необратимые изменения.

Физика изучает явления, наблюдаемые в реальном мире, и свойства материальных объектов. Эти явления мы характеризуем с помощью физических величин. Например, движение характеризуется скоростью ускорением, тел притягивать друг друга характеризуются массой или зарядом. Наблюдаемые нами физические возникают вследствие взаимодействия между телами либо частицами — атомами молекулами, из которых состоят материальные тела. В результате этих взаимодействий соответствующие величины не остаются постоянными, а испытывают всевозможные изменения. изменения могут происходить как непрерывно, так скачками, по величине, направлению. При наблюдении изменений величин возникает необходимость их количественной качественной оценке. Для этой цели физика использует математические методы.

Угловая скорость и угловое ускорение. Пройденный путь S , перемещение dr, скорость v тангенциальное и нормальное ускорение at, an, представляют собой линейные величины. Для описания криволинейного движения наряду с ними можно пользоваться угловыми величинами.


Основные представления кинетической теории