Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Физика. Часть 1: Механика. Молекулярная физика

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 809840.01.99
Раскрываются теоретические основы таких разделов физики, как «Механика» (кинематика, динамика, закон сохранения импульса и закон сохранения энергии) и «Молекулярная физика» (термодинамика, молекулярно-кинетическая теория). В целях закрепления знаний обучающимися данное учебное пособие содержит вопросы и задания, рисунки и схемы, справочный материал. Предназначено для студентов среднего профессионального образования.
Мосягина, О. В. Физика. Часть 1: Механика. Молекулярная физика : учебное пособие / О. В. Мосягина. - Москва : РГУП, 2023. - 134 с. - ISBN 978-5-00209-021-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/2069314 (дата обращения: 15.04.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  
УНИВЕРСИТЕТ ПРАВОСУДИЯ

О. В. Мосягина

Учебное пособие

Москва
2023

ФИЗИКА

 
ЧАСТЬ 1
МЕХАНИКА. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
 
 © Мосягина О. В., 2022

 
 ©  Российский государственный 
университет правосудия, 2022

УДК 53
ББК 22.3
М 84

Автор:

О. В. Мосягина, старший преподаватель кафедры общеобразовательных дисциплин

Рецензенты:

Н. Н. Абраменко, учитель физики высшей квалификационной категории ГБОУ  
школы № 2107, «Отличник просвещения», лауреат премии Президента РФ  
в области образования, заслуженный учитель Российской Федерации;
Т. И. Ахмедова, старший преподаватель кафедры общеобразовательных дисциплин; 
Почетный работник общего образования Российской Федерации

Мосягина О. В.
Физика. Часть 1: Механика. Молекулярная физика: учебное пособие. — 
М.: РГУП, 2023. — 134 с.

ISBN 978-5-00209-021-1

Раскрываются теоретические основы таких разделов физики, как «Механика» 
(кинематика, динамика, закон сохранения импульса и закон сохранения энергии) 
и «Молекулярная физика» (термодинамика, молекулярно-кинетическая теория). 
В целях закрепления знаний обучающимися данное учебное пособие содержит вопросы 
и задания, рисунки и схемы, справочный материал.
Предназначено для студентов среднего профессионального образования.

М 84

ISBN 978-5-00209-021-1
Содержание

 
 
От автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

РАЗДЕЛ I. МЕХАНИКА

Глава 1. Кинематика
1.1. Основные кинематические понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2. Кинематические уравнения — способ описания движения. . . . . . . . 15
1.3. Свободное падение. О движении бросаемых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4. Криволинейное движение. Движение по окружности. . . . . . . . . . . . . 22

Глава 2. Динамика
2.1. Законы Ньютона. Основные понятия динамики. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2. Силы и фундаментальные взаимодействия. Силы в механике. . . . . 30
2.3. Сила всемирного тяготения. Сила тяжести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4. Силы упругости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5. Сила трения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6. Вес тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Глава 3. Законы сохранения в механике
3.1. Импульс тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2. Импульс силы. Закон сохранения импульса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3. Реактивное движение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4. Механическая работа. Мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5. Энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6. Механическая энергия: кинетическая и потенциальная. . . . . . . . . . . 52
3.7. Закон сохранения энергии в механике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

РАЗДЕЛ II. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ 
ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Глава 4. Термодинамика
4.1. Основные понятия термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2. Внутренняя энергия тела (системы) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3. Первый закон термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4. Необратимые процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5. Второе начало термодинамики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Физика

4

Глава 5. Молекулярно-кинетическая теория. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории . . . . . . . . 77
5.2. Размеры, массы, структура молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно- 
кинетической теории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4. Уравнение состояния идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5. Газовые законы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Глава 6. Жидкости и молекулярно-кинетическая теория
6.1. Свойства жидкостей, их структура. Ближний порядок . . . . . . . . . . . 93
6.2. Поверхностное натяжение жидкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3. Смачивание. Капиллярные явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4. Капиллярные явления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.5. Взаимные превращения жидкостей и газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.6. Влажность воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.7. Кипение жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Глава 7. Твердое состояние вещества и молекулярно-кинетическая 
теория
7.1. Кристаллические и аморфные тела. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2. Деформация твердого тела. Механические свойства  
твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Приложения
Приложение 1. Дополнительные материалы к темам курса . . . . . . . . . . 117
Приложение 2. Выписка из рабочей программы по физике. . . . . . . . . . . 126
Приложение 3. Периодическая система химических элементов 
Д. И. Менделеева . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Приложение 4. Справочные материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Перечень рисунков, схем и таблиц
Рис. 1. Траектория и перемещение движущегося тела . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Рис. 2. График равномерного движения тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Рис. 3. Стробоскопический снимок движения шарика . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Рис. 4. Движение тела по параболе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Рис. 5. Снимок кремния, сделанный сканирующим туннельным 
микроскопом (СТМ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Рис. 6. Графическая зависимость давления от объема данной  
массы газа и постоянной температуре — изотерма. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Рис. 7. Графическая зависимость объема от температуры данной 
массы газа при постоянном давлении — изобара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Рис. 8. Графическая зависимость давления от температуры данной 
массе и постоянном объеме — изохора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Содержание

Рис. 9. Силы, действующие на молекулы внутри жидкости 
и на поверхности жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Рис. 10. Смачивание и несмачивание поверхностей жидкостями . . . . . . 98
Рис. 11. Поднятие и опускание жидкости в капиллярах. . . . . . . . . . . . . . . 99
Рис. 12. Графическая зависимость давления насыщенного пара 
и идеального газа от температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Рис. 13. Изображение атомной кристаллической решетки . . . . . . . . . . . 110
Рис. 14. Изображение ионной кристаллической решетки . . . . . . . . . . . . 111
Рис. 15. Изображение металлической кристаллической решетки. . . . . 111
Рис. 16. Полиморфизм у алмаза и графита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Схема 1. Виды механической энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Схема 2. Способы изменения внутренней энергии системы . . . . . . . . . . 65
Схема 3. Принцип преобразования энергии в тепловом  
двигателе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Схема 4. Некоторые условия для создания модели идеального газа . . . . 82
Схема 5. Взаимные превращения жидкостей и газов . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Схема 6. Классификация твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
От автора

Курс физики для студентов среднего профессионального образования 
(СПО) по специальности 21.02.05 «Земельно-имущественные отношения» 
предусмотрен учебным планом и соответствует требованиям Федерального 
государственного образовательного стандарта среднего (полного) 
общего и среднего профессионального образования.
Целью данного курса является формирование у студентов компетенций, 
необходимых для качественного освоения программы подготовки 
специалистов среднего звена на базе основного общего образования с получением 
среднего общего образования.
Курс рассчитан на 150 часов, из них 100 часов аудиторных; изучается 
студентами в 1 и 2 семестрах и завершается дифференцированным зачетом. 
В программу курса включены практически все разделы физики. 
Данное учебное пособие содержит только два раздела физики: механики 
и молекулярной физики.
Основная школа является обязательной для всех учащихся. В связи 
с этим программа по физике 7–9 классов охватывает все разделы физики 
от механики до атомного ядра и имеет завершенный характер. Поэтому 
при изучении физики в рамках СПО уделяется в большей степени 
внимание на повторение, углубление, обобщение знаний, формирование 
мировоззрения молодых людей на новом витке их взросления, а также 
формирование у них общих компетенций.
Учебное пособие разбито на разделы; разделы на главы; главы на параграфы. 
В конце параграфов выделены вопросы и задания. Среди заданий 
включены темы для подготовки информационных сообщений и обобщающие 
таблицы. В конце учебного пособия размещены дополнительные материалы 
к некоторым главам, таблицы и справочные материалы, а также 
выписка из рабочей программы по физике. В выписке отражаются цели 
и задачи курса, дидактические единицы каждой темы, указаны основные 
От автора

знания и умения, которыми должен овладеть студент в ходе изучения 
дисциплины.
Учебный материал изложен с минимальным использованием математического 
аппарата.
Общие компетенции, которыми овладеют студенты, будут использоваться 
ими для освоения специальных дисциплин, предусмотренных 
учебным планом в следующих семестрах; знания и умения, полученные 
при изучении физики, будут способствовать формированию их научного 
мировоззрения, развитию их мышления и логики.
Введение

Физика — наука о неживой природе. Она изучает свойства материи, всевозможные 
её изменения. Всё, что нас окружает, принято называть материей.

Окружающий нас мир — материален

Материя может существовать в двух формах: вещество и поле. Существование 
материи абсолютно не зависит от сознания человека. Вещество 
воспринимается органами чувств человека, а поле — нет. Тем не менее, 
и вещество, и поле реально существуют. Физика изучает свойства материи.
Изменчивость материи — одно из важнейших ее свойств.
Изменения, происходящие в материальном мире, называют явлениями.
Выделяют механические, тепловые, электрические, оптические и другие 
явления. Для удобства ученые разделили физику на отдельные части, 
в каждой из которых изучаются различные явления. Например, механические 
явления изучает раздел физики — «Механика», тепловые явления — 
раздел «Теплота» и т. д.
При изучении различных видов явлений устанавливают законы и закономерности, 
вводятся физические величины, устанавливается связь между 
величинами. Физические законы имеют свои границы применимости.
Различают три уровня организации материи:
1. Мегамир — мир огромных астрономических систем: звездных систем; 
галактик, включающих в себя сотни миллиардов звезд и межзвездную 
среду;
2. Макромир — это мир обычных, окружающих нас в повседневной 
жизни тел;
3. Микромир — мир молекул, атомов, элементарных частиц.
Законы Ньютона, например, описывают механические явления в макромире, 
но в микромире их применять нельзя.
Далеко не все законы природы известны и изучены. Но развитие физики 
и других наук о природе говорят нам о том, что мир познаваем.
Введение

Познаваемость материального мира — ещё одно свойство материи.
Познание в физике происходит на двух уровнях: эмпирическом (опытном) 
и теоретическом. Изначально физика — наука экспериментальная. 
Наблюдения и эксперимент — основные эмпирические методы исследования 
физики с самого начала её зарождения. К этому уровню познания 
можно отнести ещё такие методы как измерения, сравнения, вычисления 
и другие методы. Большинство законов природы изучены именно таким 
образом. Установление закономерности, повторяемости, формулировка 
закона — итог эмпирического уровня познания.
Часть современных физических знаний формируется учеными на теоретическом 
уровне. Для этих целей они используют методы мысленного 
моделирования, абстрагирования, выдвигают научные гипотезы.
Теория — высшая форма познания. Всякая теория должна подтверждаться 
практикой. Любая научная теория проходит свой путь развития. 
Вначале возникают теории, которые описывают круг явлений на уровне, 
на котором находится на тот момент развитие науки в целом, и соответствуют 
определенному уровню измерительной техники. По мере дальнейших 
исследований и развития прогресса, обнаруживаются новые факты, 
требующие объяснений, но существующая теория этого сделать не может. 
Создается новая теория, способная обосновать новые факты, и строится 
она на основе новых принципов. Но старая теория не отбрасывается, а является 
частным случаем общей новой теории. Такая связь между старой 
и новой теорией выражается принципом соответствия:
Новая теория содержит внутри себя возможность устанавливать 
преемственность со старой теорией. Новая не отрицает старую теорию; 
старая теория является частным случаем новой или выполняется 
при определенных границах.
Наука развивается, и в процессе её развития возникает некая система 
мироустройства. Эта система получила название физической картины 
мира. Историки физики выделяют несколько этапов становления физической 
картины мира.
Например, во времена И. Ньютона, считалось, что все в мире можно 
объяснить с помощью законов механики. Так возникла механистическая 
картина мира. Был период, когда доминантными считались законы электродинамики. 
Возникла электромагнитная картина мира.
В основе современной физической картины мира лежат новые представления 
о пространстве и времени, принципы квантовой механики, 
представления о фундаментальных взаимодействиях и элементарных 
частицах. Современная физическая картина мира — квантово-полевая.
РАЗДЕЛ I. МЕХАНИКА

Механика — раздел физики, изучающий механическое движение.
В создании классической механики выдающуюся роль сыграли работы 
итальянского ученого XVII века Г. Галилея и английского ученого 
XVIII века И. Ньютона. В дальнейшее развитие механики большой вклад 
внесли такие ученые, как: Л. Эйлер, И. В. Мещерский, К. Э. Циолковский, 
Н. Е. Жуковский другие ученые. Изучение механики в наши дни имеет 
большое научное и практическое значение. На законах классической механики 
основано движение транспорта, различного рода механизмов, строительство 
зданий, мостов, сооружений, запуск и движение космических 
кораблей и спутников. Важно изучать движение тел; уметь рассчитывать 
их движение; рассчитывать траектории движения, время движения; уметь 
предсказывать положение тела в любой момент времени.
Основной задачей механики является определение положения тела 
в пространстве в любой момент времени.

Глава 1. Кинематика

1.1. Основные кинематические понятия

Механическое движение — изменение положения тела в пространстве с течением 
времени относительно других тел.

Если положение тела, относительно какого-либо другого тела с течением 
времени не изменяется, то говорят, что тело находится в состоянии 
покоя.

 Абсолютного покоя не существует. Покой всегда относительный. Поэтому необходимо 
всегда указывать систему отсчета, относительно которой физическое 
тело покоится.
1.1. Основные кинематические понятия

11

В систему отсчета входят:
1) тело отсчета;
2) система координат, связанная с этим телом отсчета;
3) часы или какой-либо способ отсчета времени.
Зная координаты тела в любой момент времени в выбранной системе 
отсчета, можно определить его положение в пространстве. Если тело 
движется по прямой, то его положение в любой момент времени будет 
определяться одной координатой. В этом случае основная задача механики 
будет решена нахождением зависимости координаты как функции 
от времени x(t). Если же тело движется на плоскости или в пространстве, 
то его положение будет определяться двумя или тремя координатами 
соответственно. На плоскости координатами x(t) и y(t); в пространстве 
координатами x(t), y(t) и z(t).
Для классификации различных видов движения необходимо вспомнить 
некоторые кинематические понятия.

Траектория — линия, вдоль которой движется тело.

По виду траектории выделяют прямолинейное движение и криволинейное 
движение.

Путь — длина траектории.

Путь — это физическая величина. Всякая физическая величина имеет 
буквенное обозначение и единицы измерения. Путь обычно обозначается 
латинской буквой S. Единицей измерения пути в Международной 
системе единиц (СИ) является метр (м). На практике используются 
более крупные и мелкие единицы измерения: например, 1 км = 103 м, 
или 1 мм = 10–3 м.

Механическое движение

Прямолинейное
(траектория — прямая линия)

Криволинейное  
(траектория — кривая линия) 
Глава 1. Кинематика

12

 Длина пути — величина скалярная (Напомним, что скалярные величины не имеют 
направления и определяются только числом).

Перемещение — направленный отрезок — вектор, соединяющий начальное 
положение тела с конечным его положением.

На рис. 1 мы видим кривую линию — это траектория движения какого-
либо тела; вектор, соединяющий начальное и конечное положения 
тела — перемещение.

Перемещение — это физическая величина. Обозначается также 
как и путь, буквой S и над буквой ставится →. Это означает, что перемещение — 
величина векторная: кроме числового значения эта величина 
имеет еще и направление. Единицей измерения перемещения в Международной 
системе единиц (СИ) является метр (м).
Перемещение, которое совершает тело в единицу времени — это скорость 
движения.
Скорость движения — величина, равная отношению перемещения 
тела (материальной точки)1 к промежутку времени, в течение которого 
это перемещение произошло.
На языке математики данное определение будет иметь вид:

=
.


s
v
 t

1 Материальная точка — тело, размерами которого можно пренебречь в данных условиях.

Рис. 1. Траектория и перемещение движущегося тела
1.1. Основные кинематические понятия

13

Если скорость тела с течением времени не меняется, то движение принято 
называть равномерным. Равномерное движение характеризуется 
одной кинематической величиной — скоростью v. Единицей измерения 
скорости в системе СИ является метр в секунду (м/с). Скорость величина 
векторная, направление скорости всегда совпадает с направлением 
перемещения.
Если скорость тела изменяется с течением времени, то движение — 
неравномерное.

Для описания неравномерного движения вводятся два понятия скорости: 
мгновенная скорость и средняя скорость.

Мгновенная скорость тела — это скорость тела в данный момент времени 
или в данной точке траектории.

К осмыслению мгновенной скорости можно подойти, используя прием 
дифференциального исчисления: участок траектории, включающий интересующую 
нас точку, и время, в течение которого он проходится, мы мысленно 
постепенно уменьшаем до тех пор, пока участок уже нельзя отличить 
от точки и неравномерное движение на нем от равномерного движения.

 Мгновенная скорость, или скорость в данной точке, равна отношению достаточно 
малого перемещения на участке траектории, включающем эту точку, к малому 
промежутку времени, в течение которого это перемещение совершается.

Мгновенная скорость — это векторная величина. Ее направление совпадает 
с направлением движения в данной точке. При прямолинейном 

Механическое движение

Равномерное

Скорость постоянна

Неравномерное

Скорость меняется  
с течением времени