Реферат: Вопросы и ответы по физике в ТУСУР (Томск)

                                      Вопросы.

1.    Пояснитепонятие обратимого и необратимого процесса. Какие процессы называютсяквазистатическими? Приведите примеры.

2.    Почемудля практического анализа реальных процессов используют энтропию, а нетермодинамическую вероятность?

3.    Отчего зависит агрегатное состояние вещества? Каким образом эта зависимостьизображается?

4.    Чтоопределяет главное квантовое число? Какие значения оно может принимать?

5.    ЭффектДоплера.

6.    Пояснитепонятия “фронт волны” и “волновая поверхность”.

7.    Пояснитекорпулярно-волновые свойства материи. Как исторически развивались эти идеи?

8.    Каквы понимаете слова Ричарда Феймана: “Микротела не похожи ни на что, из того,что вам хоть когда-нибудь приходилось видеть”?

9.    Входе каких процессов возникли тяжелые элементы, из которых построены планетыСолнечной системы, Земля и тела живых организмов?

10.В ходе каких процессов звезданачинает своесуществование?

                                                  Ответы.

/>1. Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов.Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одномнаправлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контактедвух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплоготела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачитепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно,процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.

 Обратимыми процессаминазывают процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которыеможно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточныхравновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходномусостоянию.

  Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называютсяквазистатическими. Все квазистатические процессы обратимы.Все обратимые процессы являются квазистатическими.

   Если рабочее тело тепловой машины приводится в контакт с тепловым резервуаром, температуракоторого в процессе теплообмена остается неизменной, то единственным обратимым процессомбудет изотермический квазистатический процесс, протекающий при бесконечно малойразнице температур рабочего тела и резервуара. При наличии двух тепловых резервуаровс разными температурами обратимым путем можно провести процессы на двух изотермическихучастках. Поскольку адиабатический процесс также можно проводить в обоих направлениях(адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение), то круговой процесс, состоящийиз двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно)является единственным обратимымкруговым процессом, при котором рабочее тело приводится в тепловой контакт толькос двумя тепловыми резервуарами. Все остальные круговые процессы, проводимые с двумятепловыми резервуарами, необратимы.

     Необратимыми являются процессы превращения механической работы во внутреннюю энергиютела из-за наличия трения, процессы диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешиваниягаза при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессынеобратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам.Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.

2.Для объяснения направленности процессов в природевводят понятие термодинамической вероятности(W)-число комбинаций отдельных элементовсистемы, или число микросостояний, с помощью которых реализуется это состояние.

   Термодинамическая  вероятность системы, состоящей издвух частей с термодинамическими вероятностями />W1и W2 cоответственно, равнапроизведению термодинамической вероятностей частей системы W=W1W2.

   Логарифмическая функция превращает произведение в сумму ln=ln W1+lnW2.Поэтомудля практического анализа используют не термодинамическую вероятность, аэнтропию.

3.АгрегатныеСостояния вещества(отлат. Aggrego –присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества,переходы между которыми сопровождаютсяскачкообразным изменением его свободнойэнергии, энтропии,плотности идругих физических свойств. Все
вещества (за некоторымисключением)могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком игазообразном. Так, вода при нормальномдавлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба ипри температуре t=00С. кристаллизуетсяв лёд, а при 100°Скипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состояниемвещества часто считают плазму.

     Агрегатное состояниевещества зависит от физическихусловий, в которых оно находится, главным образом от температуры и от давления. Определяющей величиной является отношениесредней потенциальной энергии взаимодействия молекулк их средней кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение больше 1, для газов меньше 1,а для жидкостей приблизительноравно 1. Переход из одного агрегатного состояниявещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величиныданного отношения, связанным со скачкообразнымизменением межмолекулярныхрасстояний и межмолекулярныхвзаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуютдруг с другом и движутся практически свободно,заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах —конденсированныхсредах — молекулы (атомы)расположены значительно ближе другк другу и взаимодействуют сильнее.Это приводит к сохранениюжидкостями и твёрдыми телами своего объёма. Однако,характер движения молекул в твёрдых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различиеих структуры и свойств.

У твёрдых телв кристаллообразном состоянии атомы совершают лишь колебаниявблизи узлов кристаллическойрешётки; структура этих телхарактеризуется высокой степенью упорядоченности— дальним и ближним порядком. Тепловоедвижение молекул (атомов) жидкостипредставляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одногоположения равновесия в другое. Последние иобусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а такжесвойственныеим подвижность и текучесть.

Плавление — это переход вещества из твердогоагрегатного состояния в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когдателу сообщают некоторое количество теплоты +Q. Например, легкоплавкий металл свинецпереходит из твердого состояния в жидкое, если его нагретьдо температуры 327 С.Свинец запросто плавится на газовой плите, например вложке из нержавеющей стали (известно, что температура пламени газовой горелки —600-850°С, атемпература плавления стали — 1300-1500°С).

4.. Главное квантовое число определяет размерыэлектронной оболочки, т.е.наиболее вероятное расстояние от ядра атома-среднийрадиус электронного слоя(орбиты).

  Большее значение главного квантового числа соответствуетбольшим размерам электронной оьолочки, и, следовательно, более высокой энергииэлектронов в атоме.

Итак, возможные энергетическиесостояния электрона в атоме определяются величиной главного квантового числа n, которое может приниматьположительные целочисленные  значения:1,2,3,4 и т.д.Состояниеэлектрона, характеризуюжщееся определенным значением главного  квантового числа, наз.энергетическим уровнем электрона в атоме.

5.

6. Волна,распространяясь от источника колебаний, охватывает все новые и новые областипространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания кмоменту времени t, называется волновым фронтом.

Геометрическое место точек, колеблющихся водинаковой фазе, называется волновой поверхностью ( поверхностьюпостоянных фаз, фазовой поверхностью).

Волновых поверхностей можно провести бесчисленное множество,а волновой фронт в каждый момент времени — один.

7. Ранний период развития квантовой физики (1900-1924)характеризуется прежде всего формулировкой законов излучения в идеальной модели«абсолютно черного» (т.е. не отражающего) тела и введением «квантадействия» (М. Планк, 1900), открытием световых квантов и" корпускулярно-волнового дуализма" (двойственной природы) света(А. Эйнштейн, 1905 и последующие работы), затем построением модели атома Бора(Н. Бор, 1913) и гипотезой Луи де Бройля о волновых  свойствах электрона(1924). Ключевым моментом здесь является осознание "корпускулярно-волнового дуализма" как универсального свойства материи. Второй этап, начавшийся с 1925 года, характеризуется построениемформальной теории, описывающей этот дуализм (В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан,Э. Шредингер(уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрамиатомов, описывет форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь истроение молекул), П. Дирак, В. Паули, 1925-1927; Дж. фон Нейман, 1932; Р.Фейнман, 1946, и другие исследователи) и глубоким обдумыванием возникших всвязи с этим концептуальных проблем («принцип неопределенности»Гейзенберга, «статистическая интерпретация волновой функции» Борна,«принцип дополнительности» Бора, и др.).

Электромагнитные волны излучаютсяи поглощаются квантами, энергия каждого кванта  пропорциональна частоте волны:E=hv.Квант электромагнитной энергии может поглощаться иизлучаться отдельным атомом, то есть ведет себя подобно''корпускупе'', частице, получившей название ''фотон''.Корпускулярно-волновымисвойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

    Микрочастица с энергией Е=mc/>иимпульсом p=m/>ведет себяподобно волне с частотой />=E/h длиннойволны />=h/p,где h-постоянная Планка.

8.В конце 19 века были открыты частички, много меньшиеатома, которые были названы элементарными-т.е. те которые не состоят из другихчастиц.Потом оказалось, что микрочастицы двигаются и взаимодействуют по другимзаконам, по квантовой механике.

  Элементарные частицы, входят всостав прежде ''неделимого'' атомаюПервыми были открыты электрон, нейтрон ифотон-квант электромагнитного поля.Из первых трёх строили вещество, а фотон осуществлялвзаимодействие между ними.Эти элементарные частички имеют внутреннюю структуруи могут превращаться друг в друга.К ним относятся и те частички, которыеполучают при помощи мощных циклотронов, синхротронов и других ускорителейчастичек.Есть элементарные частички, возникающие при прохождении через атмосферукосмических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потомраспадаются, видоизменяются, превращаясьв другие элементарные частицы, илииспускают энергию в форме излучения.

9.Тяжелые элементы, из которых построена планетыСолнечной системы, Земля и тела живых организмов возникли в результатетермоядерных реакций в недрах первых протозвезд Вселенной.Так как послевыгорания всего водорода центральная область звезды сжимается, температура иплотность в ней повышаются, и становятся возможными ядерные реакции собразованием все более и более сложных ядер.На поздних стадиях своей эволюциизвезда разбухает, её внешние слои расширяются, тогда как центральная область, ядрозвезды, продолжает постепенно сжиматься.Поверхностные слои могут отделятся отплотного ядра и образовать вокруг него газовое облако(туманность), из которойпод воздействием сил гравитации могут формироваться звезды нового поколения сповышенным содержанием тяжелых элементов.

10.Звезды и галактики образовались из вещества, котороепервоначально было равномерно рассеяно по всему объему Вселенной.; Каждаячастица вещества притягивалась ко всем остальным, и поэтому в однородномраспределении неизбежно должны были возникнуть и разрастаться сгущения, в которыевзаимное тяготение частиц втягивало все больше и больше света.

   Звезда начинает своёсуществование как сжимающийся под действием собственного тяготения сгустоквещества.В ходе сжатия вещество нагревается и в нем возрастает давление, котороевскоре начинает препяствовать этому сжатию.Постепенно в сгущении достигаетсяравновесие, баланс обоих сил: силы тяготения, стремящейся далее сжимать вещество, исилы давления, действующей против сжатия.

  Но ещё до остановки сжатиядавления, температура и плотность в самой внутренней, центральной области сгусткадостигают столь высоких значений, что там ''зажигаются'' термоядерныереакции.Они служат источником энергии, благодаря которой поддерживается высокаятемпература и высокое давление в звездных недрахюЭта энергия питает излучениезвезды.