Рабочая программа учебной дисциплины для студентов основной образовательной программы бакалавриата 050100. 62 “Педагогическое образование”, профили “Физика и информатика“ (наименование, шифр) по очной форме обучения Красноярск 2012

Скачать 0.59 Mb.

Название	Рабочая программа учебной дисциплины для студентов основной образовательной программы бакалавриата 050100. 62 “Педагогическое образование”, профили “Физика и информатика“ (наименование, шифр) по очной форме обучения Красноярск 2012
страница	2/3
Дата публикации	11.08.2015
Размер	0.59 Mb.
Тип	Рабочая программа

100-bal.ru > Физика > Рабочая программа

1 2 3

вопросы экзаменационного теста по молекулярной физике

1. Взаимодействие молекул. Измерения скоростей. Распределения скоростей

1.1 Из каких макроскопических измерений можно получить данные о размерах молекул? Охарактеризуйте точность определения размеров предложенных вами способов.

1.2 Во сколько, примерно, раз отличаются средние расстояния между молекулами в твердом и газообразном (газ при атмосферном давлении и комнатной температуре) состоянии?

1.3 Какие экспериментальные способы изучения молекулярного строения веществ вам известны? В чем они состоят?

1.4 Какова идея опыта Перрена по определению числа Авогадро?

1.5 Чем отличаются взаимодействия молекул воды во льде и в водяном паре?

1.6 График зависимости потенциальной энергии взаимодействия двух молекул U(r) имеет вид, изображенный на рисунке. Укажите область значений расстояний между молекулами где молекулы отталкиваются... Притягиваются. По графику U(r) постройте график зависимости силы взаимодействия молекул от расстояния.

1.7 Что такое селектор скоростей? Как он действует? Для каких целей он может быть использован?

1.8 Как действует установка Штерна с вращающимися цилиндрами для измерения скоростей молекул газа? Как определяют скорость молекул с ее помощью?

1.9 Объясните, почему изображение щели в установке Штерна с вращающимися цилиндрами оказывается размытым. Как можно использовать информацию о законе размытия изображения для нахождения распределения молекул по скоростям?

1.10 Для измерения скорости частицы необходимо измерить ее перемещение и время, за которое было совершено это перемещение. Как измеряется время при измерении скоростей молекул с помощью установки Штерна с вращающимся цилиндром?

1.11 Два состояния одного и того же идеального газа лежат на одной изотерме. В каком состоянии - с большим или меньшим объемом внутренняя энергия газа больше? Как изменится ответ, если учитывать взаимодействие молекул?

1.12 Изобразите примерный вид плотности распределения молекул по проекциям скоростей. Какой параметр характеризует распределение. Как изменяется вид плотности распределения молекул по проекциям скоростей при понижении температуры?

1.13 Что больше наивероятнейшее или среднее значение модуля скорости молекул? Ответ аргументируйте.

1.14 Как используя распределения молекул по проекциям скоростей найти распределение молекул по модулю скорости?

1.15 Как оценить среднюю длину пробега молекул? Можно ли считать, что средняя длина свободного пробега равна среднему расстоянию между молекулами в газе? Объясните, почему средняя длина свободного пробега растет с повышением температуры.

1.16 Маленький тонкостенный стеклянный сосуд с гелием погрузили в огромный баллон с азотом при атмосферном давлении. Стекло слабо проницаемо для гелия, но непроницаемо для азота. Каким будет состояние системы после установления равновесия?

2. Температура. Давление газа

2.1 В состоянии теплового равновесия температуры в каждой точке тела одинаковы. В термодинамике, то есть науке о тепловых явлениях, которая не основана на молекулярных представлениях, температура является первичным понятием и определяется перечислением свойств. Перечислите свойства температуры, которые определяют ее как физическую величину. Что такое термометрические параметры? Приведите примеры термометрических параметров.

2.2 Проведите рассуждения, показывающие, что средняя кинетическая энергия молекул газа обладает всеми свойствами температуры, а поэтому ее можно использовать в качестве термометрического параметра.

2.3 Большой сосуд заполнен водородом H₂. В него вводят небольшой сосуд с перегородками, содержащими мелкие поры, и соединенный с манометром, как показано на рисунке. Опишите, что будет происходить при этом. Дайте объяснение происходящему.

2.4 Выберите правильные ответы.

А. Каковы размерности:

а) концентрации молекул n? 1) Дж/ кг; 2) Па; 3) м³;

б) молярной массы ? 4) м^-3; 5) К;

в) числа Авогадро N_A? 6) г/ моль; 7) моль^-1;

г) плотности газа ? 8) кг/ м³; 9) Дж;

д) абсолютной температуры T? 10) Дж/Кмоль; 11) кг/Кмоль;

е) постоянной Больцмана k_Б? 12) К^-1; 13) см^-3;

ж) универсальной газовой постоянной R?14) г/ см³; 15) Н/ м²;

з) произведения PV? 16) м²/ с²; 17) Нм; 18) Н/м;

В. Выберите из предложенных формул подходящие для вычисления давления идеального газа.

1)

; 2)

; 3)

;

4)

; 5)

; 6)

.

2.5 Найдите верные формулы для вычисления параметров:
а) концентрации молекул n?
б) молярной массы ;
в) числа Авогадро N_A;
г) плотности газа ;
д) абсолютной температуры T;
е) постоянной Больцмана k_Б;
ж) универсальной газовой постоянной R;
з) произведения PV:

1)

; 2)

; 3)

; 4)

;

5)

; 6)

; 7)

; 8)

;

9)

; 10)

; 11)

; 12)

;

13)

; 14)

; 15)

; 16)

;

17)

; 18)

.

2.6 Во сколько раз изменится давление газа на стенку тотчас после того, как вдруг десятая часть молекул, ударяющихся о стенку, начнет поглощаться ею?

2.7 В чем заключается радиометрический эффект? Какова его природа?

2.8 Каков механизм установления теплового равновесия в идеальном газе, заключенном в сосуд некоторого объема V?

2.9 На VT-диаграмме отрезком прямой изображен процесс, в котором участвует идеальный газ. Увеличивается или уменьшается давление газа в данном процессе? Дайте объяснения.

2.10 На VT-диаграмме дугой параболы изображен процесс, в котором участвует идеальный газ. Увеличивается или уменьшается давление газа в данном процессе? Как выглядит этот процесс на PV-диаграмме? Дайте объяснения.

2.11 Объясните происхождение тройки в знаменателе численного коэффициента, возникающего при классическом (и при квантовом) выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа: P= N.

2.12 Дайте молекулярно-кинетическое объяснение тому, что при медленном движении тела в газе оно испытывает силу трения пропорциональную скорости

2.13 Предположим, что в тепловом равновесии модули скоростей всех молекул одинаковы, а все направления равновероятны. Как в таком случае будет выглядеть основное уравнение молекулярно-кинетической теории?

2.14 Дайте молекулярно-кинетическое объяснение тому, что при медленном сжатии газа в теплоизолированном сосуде его температура увеличивается.

2.15 Газ под давлением P₀ содержится в сосуде, в одной из стенок которого имеется маленькое отверстие площади S. Какую реактивную силу создает истекающий из отверстия газ?

2.16 При исследовании распределений молекул по скоростям приготавливают пучки молекул, истекающие из отверстия. Объясните, почему требуется, чтобы размер отверстия был меньше длины свободного пробега молекул.

2.17 Как давление газа зависит от его плотности?

3. Закон сохранения энергии в тепловых процессах

3.1 Килограмм льда или килограмм жидкой воды при 0С имеет большую внутреннюю энергию? На сколько?

3.2 Поясните, что означает утверждение: “Внутренняя энергия является функцией состояния”. Приведите примеры других функций состояния. Почему работа и теплота не являются функциями состояния?

3.3 а) Чему равна молярная теплоемкость C_v одноатомного газа при постоянном объеме V?
б) Чему равна молярная теплоемкость C_p одноатомного газа при постоянном давлении P? Почему C_p>C_v?
в) Чему равна молярная теплоемкость C_v двухатомного газа при постоянном объеме?
г) Чему равна молярная теплоемкость C_p двухатомного газа при постоянном давлении?

3.4 Расскажите об экспериментальном способе измерения теплоемкости газа при постоянном объеме.

3.5 Расскажите об экспериментальном способе измерения теплоемкости газа при постоянном давлении.

3.6 Выведите дифференциальное уравнение адиабаты. Почему оно так называется?

3.7 Какие способы экспериментального измерения показателя адиабаты вы знаете? Опишите один из них.

3.8 При адиабатическом расширении газ совершает работу. За счет чего она совершается? Одноатомный газ, находясь под давлением P и занимая объем V, расширился до объема 8V. Какую работу он при этом совершил?

3.9 При выполнении каких физических условий возможно изотермическое сжатие разреженного газа? Расширение? Приведите пример физической ситуации, в которой возможно изотермическое сжатие. При сжатии газа над ним совершается работа. Внутренняя энергия при изотермическом процессе не изменяется. На что идет работа при этом?

3.10 Почему сухой холодный воздух, скатываясь с гор и, попадая в область повышенного давления, нагревается? Оцените на сколько повышается температура потока воздуха с горы (фен), если давление наверху составляет 50% от давления у подножия горы.

3.11 Получите выражение внутренней энергии идеального газа через давление и объем.

3.12 Рассмотрите два способа попадания идеального газа в равновесное состояние А, в котором газ занимает объем V_A при давлении P_A:
- по квазистатической траектории;
- при неквазистатическом процессе.
Чем отличается квазистатический процесс от неквазистатического? При первом или втором способе попадания в состояние A внутренняя энергия газа больше?

3.13 Воздух в двадцатилитровом баллоне при начальном давлении 10⁵ Па и начальной температуре 20С нагрели до температуры 50С. Какое количество теплоты было передано воздуху?

3.14 В теплоизолированный цилиндр с поршнем закачали газ. При сжатии оказалось, что давление газа изменялось по закону P=

P₀, где

- начальные значения объема и давления. Из скольки атомов состоит мелокула газа?

3.15 Литр одноатомного идеального газа, находившийся под давлением 3210⁵ Па адиабатически расширился до 8 литров. Затем вернулся в исходное состояние так, что давление росло по линейному закону. Положительную или отрицательную работу совершило рабочее тело машины за один цикл? Покажите на графике эту работу.

3.16 Литр одноатомного идеального газа, находившийся под давлением 3210⁵ Па адиабатически расширился до 8 литров. Затем его вернули в исходное состояние в два этапа. Вначале изобарически сжали до первоначального объема, потом изохорически нагрели так, что давление возросло до первоначального значения. Положительную или отрицательную работу совершило рабочее тело машины за один цикл? Покажите на графике эту работу.

3.17 Литр одноатомного идеального газа, находившийся под давлением 3210⁵ Па адиабатически расширился до 8 литров. Затем его вернули в исходное состояние в два этапа. Вначале изохорически нагрели так, что давление возросло до первоначального значения, а потом изобарически сжали до первоначального объема. Положительную или отрицательную работу совершило рабочее тело машины за один цикл? Покажите на графике эту работу.

4. Тепловые машины. Второе начало термодинамики

4.1 Опишите энергетическую схему устройства и работы теплового двигателя.

4.2 За счет чего тепловой двигатель совершает работу? На примере теплового двигателя, в котором в качестве рабочего тела используется газ, разъясните почему нельзя обойтись без холодного теплового резервуара?

4.3 Дайте определение термического коэффициента полезного действия (КПД). Укажите пути повышения КПД тепловых двигателей.

4.4 Чем отличаются обратимая и необратимая тепловые машины?

4.5 Что собой представляет цикл Карно? После совершения главного этапа цикла, на котором за счет подводимого от нагревателя тепла газ совершает работу, его приходится охлаждать. Чтобы при охлаждении газа тепло зря не сбрасывалось в охладитель, можно использовать регенератор, накапливающий тепловую энергию. В какой части тепловой машины хранится энергия, высвобождающаяся при охлаждении газа, если используется цикл Карно?

4.6 Тепловая энергия, получаемая газом в тепловой машине от нагревателя, это кинетическая энергия молекул. Допустим, что, совершая работу, тепловой двигатель раскручивает маховик. Так что результатом действия тепловой машины также является кинетическая энергия. В чем главное отличие указанных выше кинетических энергий.

4.7 Сформулируйте и докажите теорему Карно.

4.8 Медный кубик массой 64 г остыл от 100⁰С до температуры воздуха в комнате 20⁰С. Как и на сколько изменилась энтропия всего мира при этом?

4.9 Докажите, что обратимая тепловая машина имеет наибольший КПД из всех машин, работающих между заданными нагревателем и холодильником.

4.10 Электрическая печь мощностью 1 кВт поддерживает в комнате температуру 17С при температуре наружного воздуха -13С. Какая минимальная мощность потребовалась бы для теплового насоса, работающего по циклу Карно, для поддержания той же температуры в комнате?

4.11 Определите увеличение энтропии 200 г льда, растаявшего при 0С. Удельная теплота плавления льда равна 2,310⁵ Дж/кг.

4.12 Чему равен КПД идеальной тепловой машины, работающей между нагревателем при температуре T₁ и холодильником при температуре T₂? Выведите формулу КПД идеальной тепловой машины.

4.13 Термопара представляет собой два соединенных спая разнородных металлических проволок, например, меди и константана. Если спаи поддерживать при разных температурах, то термопара действует как источник тока. На концах проволоки возникает ЭДС. Один спай термопары поместили в теплоизолированный контейнер с 1 кг льда, другой спай находится в комнате при постоянной температуре 27С. Термопару подключили к кипятильнику, опущенному в стакан с 200 г воды. Оцените, на сколько нагреет кипятильник воду, пока в контейнере не растает весь лед. Удельная теплота плавления льда равна 2,310⁵ Дж/кг.

4.14 В расчетах изменения энтропии всего мира при работе тепловой машины не учитывается изменение энтропии рабочего тела. Не совершается ли ошибка при этом? Ответ аргументируйте.

4.15 Сосуд объемом 2V разделен перегородкой пополам. В одной половине 1 моль идеального газа, а в другой  вакуум. Перегородку резко убрали, позволив газу расшириться. Найдите изменение энтропии газа после установления теплового равновесия. Сосуд теплоизолирован.

4.16 Один моль идеального одноатомного газа изотермически расширился от объема V₁ до объема V₂ при температуре T. Увеличилась или уменьшилась энтропия газа при этом? На сколько?

4.17 Не противоречит ли результат действия теплового двигателя  превращение энергии хаотического движения молекул нагревателя в энергию упорядоченного движения молекул поршня  утверждению о том, что любой процесс в конце концов ведет к увеличению беспорядка, хаоса, к увеличению энтропии?

4.18 К двум совершенно одинаковым шарикам, один из которых висит на нетеплопроводной нити, а другой лежит на нетеплопроводной поверхности, подвели одинаковые количества теплоты при одной и той же температуре. Одинаково ли изменится энтропия шариков? Какие дополнительные данные надо иметь, чтобы количественно ответить на вопрос задачи?

5. Изменения энтропии и повышение теплового беспорядка

5.1 При адиабатическом расширении газа его температура уменьшается, значит динамический беспорядок уменьшается. Как же это можно связать с утверждением о том, что энтропия в адиабатическом процессе не изменяется?

5.2 Если энтропия является мерой беспорядка, то почему она возрастает при изотермическом расширении газа? Ведь при этом температура остается постоянной и динамический беспорядок не растет.

5.3 Одной из характеристик термодинамического состояния является число способов, которыми может быть осуществлено данное состояние. Разным состояниям отвечают разные числа способов. Какая характеристика состояния является показателем беспорядка?

5.4 Почему состояние, обладающее большим беспорядком, наиболее вероятно?

5.5 Во сколько раз вероятность превышения плотности воздуха в два раза над наивероятнейшим значением в объемчике 0,1 мм³ меньше вероятности самого вероятного состояния? Полагайте, что P=10⁵ Па, T=293K.

5.6 Как на языке вероятностей можно переформулировать утверждение: "Любая замкнутая термодинамическая система самопроизвольно переходит из состояния с меньшей энтропией в состояние с большей энтропией?". Как вероятность состояния связана с энтропией состояния?

5.7 Вещество, состоящее из молекул, имеющих магнитные моменты, помещено в магнитное поле и находится в состоянии теплового равновесия. Затем вещество защитили адиабатической оболочкой и выключили магнитное поле. Что при этом произойдет? Объясните происходящее.

5.8 Один из методов получения сверхнизких температур заключается в следующем. Парамагнитное вещество охлаждается в магнитном поле до возможно низкой температуры. Затем обеспечивают достаточно хорошую теплоизоляцию и выключают магнитное поле. При этом температура понижается. были достигнуты температуры 10^-4К. Объясните принцип данного способа охлаждения.

5.9 Рассмотрим сосуд с газом, разделенный пополам перегородкой. В одной половине газ, в другой - вакуум. Перегородку выдернули, предоставив газу распространяться по всему объему. Очевидно, что в первые мгновения после удаления перегородки вероятность того, что все молекулы будут находиться в одной половине сосуда близка к единице. С другой стороны, расчет вероятности такого состояния дает P=2^-N, где N - число молекул в сосуде. Оказывается, что система находится в маловероятном состоянии с гораздо большей вероятностью. Объясните это противоречие.

5.10 Можно ли перевести систему из более вероятного в менее вероятное состояние? Если нельзя, то почему? Если можно , то каким способом?

5.11 Как выражается через разность энтропий двух состояний отношение вероятностей пребывания в этих состояниях при тепловом равновесии?

5.12 Какую работу надо совершить над системой, чтобы при температуре 300 К перевести ее в e¹⁰⁰⁰ раз менее вероятное состояние?

5.13 Частица со спином 1/2 и магнитным моментом 9,2810^-24Дж/Тл находится в магнитном поле индукции B=2,23 Тл. В каком отношении находятся времена пребывания частицы с магнитным моментом направленным по и против направления магнитной индукции? (Справка: e^-x1-x при x<<1).

5.14 Поясните в терминах вероятных и невероятных состояний отличие обратимых от необратимых процессов.

5.15 Разъясните идею опытов Перрена по определению числа Авогадро.

5.16 Что такое шкала высоты? В каком отношении находятся шкалы высот гелия и молекулярного водорода? Одинаковые или нет шкалы высот одного и того же газа на Земле и на Марсе?

5.17 В тонкой взвеси концентрация частиц плавно убывает с высотой. Однако, если частицы взвеси достаточно крупные, то они оседают на дно, и никакого плавного распределения не наблюдается. Дайте этому объяснение.

6. Взаимодействие молекул и фазовые переходы

6.1 В чем состоит явление Джоуля-Томсона. Дайте качественное пояснение эффекту Джоуля-Томсона, исходя из представлений о взаимодействии молекул между собой. Какие изменения в эффекте следует ожидать при переходе от низких к высоким давлениям в газе? В чем физический недостаток модельной поправки на собственный объем?

6.2 Определите, сколько процентов от значения, предсказываемого уравнением состояния идеального газа составляет поправка для плотности азота, находящегося при комнатной температуре и атмосферном давлении. Тяжелее или легче "идеального" "реальный" азот? Для азота a=0,139 Hм⁴моль^-2, b= 0,39110^-4м³моль^-1.

6.3 Какие физические свойства газа отражают поправки Ван-дер-Ваальса?

6.4 Какую долю от глубины потенциальной ямы парного взаимодействия двух молекул воды составляет средняя кинетическая энергия молекулы воды при комнатной температуре. Удельная теплоемкость льда 1,510³ Дж/кгК, удельная теплоемкость жидкой воды 4,210³ Дж/кгК, удельная теплота плавления льда 3,3210⁵ Дж/кг, удельная теплота парообразования 2,2610⁶ Дж/кг.

6.5 При каких температурах на изотермах газа Ван-дер-Ваальса имеются участки неустойчивости? Что собой представляют эти участки? Поясните, в чем заключается неустойчивость состояния газа на них?

6.6 На участках изотерм Ван-дер-Ваальса с положительным наклоном газ на может находиться в состоянии равновесия. Каким физическим состояниям отвечают участки непосредственно примыкающие к участкам неустойчивости? При каких условиях вещество можно наблюдать в этих состояниях?

6.7 В герметически закрытой U-образной трубке налита жидкость. Между пробками и жидкостью имеется свободное пространство. Как, не открывая трубку, узнать, есть ли в свободном пространстве помимо насыщенного пара воздух? Какое свойство насыщенных паров демонстрирует данное устройство?

6.8 Два графика зависимости давления паров в закрытом сосуде от времени изображены на рисунке. Одно и то же вещество или нет испарялось в обоих случаях? Объясните ход кривых (смену характера зависимости) и различие кривых.

6.9 Температура кипения соленой воды выше, чем температура кипения несоленой воды. Больше, меньше или равна плотность насыщенных паров над кипящей соленой водой, чем над несоленой? В чем состоит молекулярный механизм повышения температуры кипения при подсаливании воды?

6.10 Удельная теплота парообразования воды значительно больше, чем серного эфира. Почему же эфир, налитый на руку, производит значительно большее охлаждение, чем вода?

6.11 Почему приготовление пищи в горах требует значительно большего времени, чем при обычных условиях?

6.12 Кривая сосуществования лед-жидкая вода при давлении около 2000 атм изменяет свой наклон с отрицательного на положительный и идет вертикально. что произойдет с системой лед-жидкая вода при переходе давления 2000 атм?

6.13 Твердый галлий плавает в своем расплаве. Как зависит температура плавления галлия от давления?

6.14 Твердое железо тонет в своем расплаве. Как зависит температура плавления железа от давления?

6.15 На горизонтальную плоскость в вершины равностороннего треугольника положили три одинаковые капли ртути радиуса 1 мм. Сверху положили пластинку с грузом общей массы 3 кг. Чему равен зазор между пластинками в равновесии? Коэффициент поверхностного натяжения ртути =0,515 Дж/м².

6.16 При каких условиях можно получить перегретую жидкость? Объясните природу перегретого состояния. Что собой представляет пузырьковая камера?

6.17 Как можно получить переохлажденный пар? Объясните природу переохлажденного состояния. Что собой представляет камера Вильсона?

6.18 Над выпуклой или вогнутой поверхностью давление равновесных паров выше? Объясните причину.

6.19 Гейзер представляет собой расположенную на большой глубине полость в твердых породах, заполняющаяся грунтовыми водами. Полость нагревается геотермальным теплом. В результате через канал, соединяющий полость с поверхностью Земли, происходит периодическое выбрасывание смеси кипятка с паром. Объясните механизм действия гейзера.

7. Материал для самостоятельного изучения

7.1 В помещение нужно подать V=10⁴ м³ воздуха при температуре t₁=18C и относительной влажности =50%, забирая его с улицы при t₂=10C и относительной влажности =60%. Сколько воды следует дополнительно испарить в подаваемый воздух? Давление насыщенного пара при t₁ равно P₁=2,110³Па, а при t₂ равно P₂=1,210³Па.

7.2 При какой максимальной относительной влажности воздуха на кухне бутылка молока, вынутая из холодильника, не будет запотевать? Температура в холодильнике t₁=5C, в комнате t₂=25C. Давление насыщенных паров воды при t₁ равно P₁=866 Па, при t₂ равно P₂=3192 Па.

7.3 В воздухе объемом 60 м³ при температуре 15С относительная влажность составляла 80%. Определите массу воды, которая может испариться в комнате при повышении температуры до 25С.

7.4 В русской парной одним из основных элементов является печь-каменка, заполненная раскаленными камнями. Температуру в парной увеличивают, выплескивая маленькие порции воды на камни. Почему, когда подбрасывают воду на раскаленные камни печи, в парной становится суше?

7.5 Для каких целей коробочка гигрометра вставляется в оправу из полированного колечка, теплоизолированного от коробочки? Каков главный источник ошибки определения относительной влажности с помощью гигрометра?

7.6 Метод дефицита влажности состоит в следующем. Сухую колбу продувают

исследуемым воздухом. Затем колбу затыкают пробкой с двумя выводами: в одном выводе пипетка с водой, другой соединен с водяным манометром. В колбу капают некоторое количество капель воды. Наблюдается повышение давления внутри колбы. Объясните принцип определения абсолютной и относительной влажности данным методом. Для чего следует предварительно продувать колбу?

7.7 Что такое адиабатическая атмосфера? Чем обусловлена ее конвективная устойчивость? Что такое критический градиент температуры?

7.8 Объясните, почему при повышении влажности воздуха конвективная устойчивость атмосферы нарушается?

7.9 В предгорных областях наблюдается погодное явление именуемое феном. Скатывающиеся с гор массы воздуха являются очень сухими и теплыми. Фен оказывает иссушающее действие на растительность. Дайте физическое объяснение возникновения фена и его сухости.

7.10 Чем отличается пластическая деформация от упругой? Дайте словесный портрет зависимости напряжения от деформации в кристаллах.

7.11 Что собой представляет дислокация. Как представления о дислокациях объясняют низкий предел текучести?

7.12 Почему кованый клинок обладает большой прочностью?

7.18 Объясните зуб текучести.

7.19 Почему резиновый жгут сжимается при нагревании?

8. Тепловые и механические свойства твердых тел

8.1 Почему кристаллы раскалываются по плоскостям спайности? Как проходит плоскость спайности в гранецентрированном кристалле?

8.2 Как изучают молекулярное строение кристаллов? Объясните, почему успехи в изучении устройства сложных органических молекул (или даже вирусов) связаны с получением кристаллов из данных молекул?

8.3 Как можно оценить отношение среднего размаха тепловых колебаний молекулы в кристалле к среднему расстоянию между ближайшими соседями?

8.4 Как на основе молекулярных представлений объяснить закон Гука? Почему только при малых деформациях кристалла работает закон Гука?

8.5 В таблицах значений температур и удельных теплот плавления нет данных о стекле. Почему? С какими свойствами стекла связан этот факт?

8.6 Что такое полиморфизм? Какими специфическими чертами обладает полиморфный переход?

8.7 При 13⁰С происходит полиморфный переход олова. При этом оловянный образец может рассыпаться в песок (оловянная чума). Что можно сказать о параметрах кристаллических структур соседствующих модификаций олова? Почему происходит разрушение образца при переходе?

8.8 Как из данных о теплотах плавления и парообразования оценить глубину потенциальной ямы потенциала парного взаимодействия молекул?

8.9 Что можно сказать о наклоне кривой сосуществования жидкой и кристаллической фазы галлия, если твердый галлий плавает в своем расплаве?

8.10 Что можно сказать о наклоне кривой сосуществования жидкой и кристаллической фазы свинца, если твердый свинец тонет в своем расплаве?

8.11 Объясните, почему почти все металлы при комнатной температуре имеют одинаковую молярную теплоемкость. Чему она равна?

8.12 Почти все металлы в кристаллическом состоянии при комнатной температуре имеют одинаковую молярную теплоемкость, а вот кристалл алмаза имеет заметно меньшее значение молярной теплоемкости. С чем это связано?

8.13 В чем состоит основная идея Эйнштейна качественного объяснения уменьшения теплоемкости кристаллов при понижении температуры?

8.15 Гипосульфит плавится при температуре 48⁰С. Если расплав тщательно отфильтровать и залить в чистую посуду с полированными стенками, то расплав можно остудить до 20⁰С, и при этом он не закристаллизуется. Объясните, почему такое возможно.

8.16 Почему кристаллические тела расширяются при нагревании?

8.17 Как связано с видом потенциала парного взаимодействия явление теплового расширения кристаллов?

9. Основные статистические понятия. Равновесное излучение

9.1 Рассмотрим произвольную макроскопическую систему в тепловом равновесии при комнатной температуре. Воспользовавшись определением термодинамической температуры, найдите процентное увеличение числа состояний, доступных системе, при увеличении ее энергии на 10^-3 эВ.

9.2 Рассмотрим произвольную макроскопическую систему в тепловом равновесии при комнатной температуре. Предположим, что данная система поглотила единичный фотон видимого света (имеющего длину волны 510^-7 м). Во сколько раз увеличилось число доступных системе состояний?

9.3 Система состоит из N частиц, слабо взаимодействующих друг с другом. Каждая из частиц может находится в одном из двух квантовых состояний с энергиями E₁ и E₂, причем E₁₂. Не проводя точных вычислений, начертите график примерного хода средней энергии E системы в зависимости от ее термодинамической температуры T.

9.4 N частиц, слабо взаимодействуют друг с другом. Каждая из частиц может находится в одном из двух квантовых состояний с энергиями E₁ и E₂, причем E₁₂. Не проводя точных вычислений, определите, чему равно значение средней энергии E в пределах малой и большой температуры?

9.5 Система состоит из N частиц, слабо взаимодействующих друг с другом. Каждая из частиц может находится в одном из двух квантовых состояний с энергиями E₁ и E₂, причем E₁₂. В какой области значений температуры происходит переход от низкотемпературного до высокотемпературного предельного значения средней энергии E?

9.6 Система состоит из N частиц, слабо взаимодействующих друг с другом. Каждая из частиц может находится в одном из двух квантовых состояний с энергиями E₁ и E₂, причем E₁₂. Получите выражение средней энергии системы. Проведите качественный анализ результата.

9.7 Используя статистическую сумму, рассчитайте среднее значение энергии квантового осциллятора в состоянии теплового равновесия при температуре T.

9.8 Почему обмен энергией между излучением и веществом должен тормозить тепловое движение молекул?

9.9 Что такое спектральная плотность излучения? Какую спектральную плотность предсказывает теория Рэлея-Джинса? В чем причина этого?

9.10 В виде плана изложите основные идеи теории равновесного излучения Рэлея-Джинса.

9.11 Объясните, почему классическое рассмотрение теплового равновесия излучения и вещества приводит к несуразному результату - вся энергия должна быть сосредоточена в излучении.

9.12 Объясните, почему средняя энергия высокочастотной моды в состоянии теплового равновесия с веществом гораздо меньше, чем k_БT.

9.13 Почему при повышении температуры раскаленного тела его цвет изменяется от красного к голубому? Почему раскаленные тела не бывают фиолетовыми?

9.14 Как, на ваш взгляд, с повышением температуры изменяется число электромагнитных мод, участвующих в теплообмене?

9.15 Как зависит от температуры излучательный вклад в теплоемкость?

9.16 В раскаленном цилиндре с поршнем, находящемся при постоянной температуре, нет ничего кроме излучения. Поршень вдвигают, уменьшая объем. Как изменяется при этом давление излучения? На что идет работа при уменьшении объема полости при этом?

9.17 Стенки полости объемом 1 л нагреты до температуры 1000 К. Какого цвета свет, выходящий из полости через отверстие?

9.18 Стенки полости объемом 1 л нагреты до температуры 1000 К. Определите энергию фотонов частоты, соответствующей максимуму спектральной плотности, в единицах k_БT. Как изменится ответ, если температуру удвоить?

9.19 Объясните, почему фотоэлемент, выставленный на свет проекционной лампы накаливания, дает переменный сигнал с частотой 100 Гц.

4. Контрольно-измерительные материалы по формам текущей деятельности

(Номера заданий из источника [2] списка основной литературы)

Модуль

Формы работы

Решение задач

Решение задач для самостоят. работы

Контрольные работы

Примеры тем рефератов

1

1.1-1.5, 2.2-2.7, 3.1-3.5,4.3-4.8, 5.1-5.10

1.6-1.19, 2.1,2.3-2.18, 3.6-3.15, 4.10-4.20, 5.11-5.13

1.17, 2.16,3.11, 4.12, 5.12

1. Становление представлений об атомах и молекулах

2. История формирования понятий “идеальный газ”, “реальный газ”.

2

6.1-6.5, 7.1-7.5, 8.1-8.5, 9.1-9.5

6.6-6.15, 7.6-7.10, 8.6-8.12, 9.6-9.11

6.12, 7.8, 8.9, 9.8

1. Случайные процессы в природе

2. Приложения теории случайных блужданий

3

10.1-10.5, 11.1-11.5, 12.1-12.5, 13.1-13.5, 14.1-14.4

10.6-10.9, 11.6-11.15, 12.6-12.13, 13.6-13.9, 14.6-14.8

10.7, 11.12, 12.9, 13.8, 14.7

1. Методы исследования явлений диффузии и самодиффузии

2. Методы исследования броуновского движения

3. Анизотропия физических свойств твердых тел

4

15.1-15.5

15.6, 15.7

15.4-15.6

1. Становление представлений о квантовой теории теплоемкости и излучения

5. Правила техники безопасности

При постановке всех физических опытов студенты должны соблюдать правила техники безопасности.

Неаккуратность, невнимательность, недостаточное знакомство с приборами ведут к несчастному случаю.

К любой работе можно приступать только в том случае, если все её этапы понятны и не вызывают никаких сомнений. При возникновении каких-либо неясностей следует немедленно обратиться к руководителю. Перед выполнением незнакомых операций, а также перед работой с новыми приборами каждый студент должен получить подробный инструктаж.