Методические указания к выполнению компьютерной программы «Физика» по дисциплине «Концепции современного естествознания» санкт-петербург (стр. 3 из 5)

Броуновское движение не зависит от каких-либо внешних причин, а является следствием движения частиц среды и наличия между частицами среды межмолекулярного пространства. Причина броуновского движения заключается в том, что очень малая частица, взвешенная в газе или жидкости, в каждый момент получает неодинаковое число ударов молекул с разных сторон, вследствие чего она перемещается то в одну, то в другую сторону. Диаметр молекул примерно в 1000 раз меньше, чем диаметр броуновских частиц, а молекулярные движения гораздо быстрее броуновских. Чем меньше масса броуновских частиц, чем выше температура и меньше вязкость среды, тем быстрее движение броуновских частиц.

Атомы представляют устойчивые системы, состоящие из ядра и электронных оболочек. Яро состоит из протонов и нейтронов.

Явление взаимного проникновения молекул двух веществ, граничащих друг с другом называют диффузией. Это явление обусловлено хаотическим движением молекул. Диффузия наблюдается в газах, жидкостях и твердых телах. Скорость диффузии невелика и зависит от вязкости и температуры; при повышении температуры она возрастает. В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях. Это объясняется различной скоростью поступательного движения молекул этих тел. Явление диффузии играет важную роль в природе и технике. Оно способствует поддержанию однородности состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. На явлении диффузии основано свойство тканей пищеварительной системы человека “выбора” и извлечения из пищи веществ, необходимых организму. В технике диффузию используют для извлечения различных веществ, например сахара из сырой свеклы, и др.

Так как плотность газа мала по сравнению с плотностью жидкости и твердого тела, значит, молекулы находятся на значительных расстояниях друг от друга, а следовательно, взаимодействием между ними можно пренебречь. Вследствие этого каждая молекула движется прямолинейно и равномерно до столкновения с другой молекулой и со стенками сосуда. Сталкиваясь между собой несколько миллиардов раз в секунду, они меняют направление движения. В газах путь молекулы представляет бесконечную ломаную линию, состоящую из множества неравных зигзагов, следующих один за другим без всякого порядка.

В жидкости молекулы расположены ближе одна к другой. Каждая молекула, окружена другими молекулами и находится в положении равновесия. Однако время от времени молекулы жидкости вырываются из положения равновесия и начинают совершать колебательные движения.

В твердых телах атомы и молекулы находятся ближе друг к другу, чем в жидкостях и газах. Они расположены относительно друг друга в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Атомы и молекулы не могут свободно покидать своих мест. Поэтому в твердых телах атомы и молекулы лишены возможности поступательного движения и совершают беспорядочные колебания около определенного положения равновесия в кристаллической решетке.

Силы взаимодействия между молекулами проявляются тогда, когда молекулы находятся на очень малых расстояниях друг от друга. Наибольшее расстояние, на котором еще проявляется молекулярное взаимодействие, называется радиусом молекулярного действия (порядка 10^-9 м). Сфера с радиусом молекулярного действия, описанная вокруг молекулы, называется сферой молекулярного действия. Всякая молекула взаимодействует только с теми молекулами, которые расположены внутри этой сферы.

Так как число атомов и молекул очень велико на практике ипользуется понятие - моль. Моль – это такое количество вещества, которое содержится в 12 граммах изотопа углерода. В одном моле вещества содержится определенное и для всех веществ одинаковое число молекул, равное N₀=6,025·10²⁶кмоль^-1.

Это постоянное число молекул называется числом Авогадро.

Зная число Авогадро, можно найти массы атома и молекулы из соотношений:

или ,

где А – атомная масса; М – молекулярная масса.

При нормальных условиях (оºС и 760 мм рт. ст.) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 м³ независимо от химической природы газа. Это значит, что в любых равных объемах различных газов при одинаковой температуре и одинаковом давлении содержится одинаковое число молекул (закон Авогадро). В частности в 22,4 м³ газа содержится при нормальных условиях 6,025·10²⁶молекул, значит, на 1 м³ газа приходится

молекул. Это число называется числом Лошмидта.

Средняя длина свободного пробега молекул газа, т.е. средняя длина пути проходимого от одного столкновения до другого, равна

где

- средняя скорость, - среднее число столкновений каждой молекулы с другими молекулами в единицу времени.

Волновые и квантовые свойства света

Интерференция волн – наложение в пространстве двух (или нескольких) систем волн, имеющих одинаковую частоту колебаний и неизменный сдвиг фаз в каждой точке пространства. В результате интерференции в одних точках пространства происходит увеличение, а в других уменьшение амплитуды результирующей волны. Устойчивую интерференционную картину можно получить только от когерентных источников света, т.е. таких источников, которые излучают световые волны одинаковой частоты с неизменным сдвигом фаз в каждой точке пространства.

Для получения системы когерентных световых волн используют два плоских зеркала, расположенных под углом, близким к 180º, друг к другу. Интерференция света наблюдается в тонких пленках, в тонком воздушном клине, образованном двумя плоскопараллельными пластинками, или между плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны и плоскопараллельной пластинкой. Во всех этих случаях пучок света, идущий от источника, сначала разделяется на два пучка, каждый из которых проходит различный путь, а затем оба пучка сводятся вместе. Налагаясь, друг на друга, они и дают интерференционную картину.

Произведение геометрического пути, пройденного каждой волной, на показатель преломления среды дает оптическую длину пути, пройденного волной до данной точки пространства. Разность оптических длин путей двух волн называется разностью хода. Если оптическая разность хода волн до данной точки пространства равна четному числу полуволн излучаемого монохроматического света, то в этой точке наблюдается усилие колебаний (максимум), если нечетному – ослабление (минимум).

Отклонение световых лучей от прямолинейного пути при прохождении вблизи краев экрана или отверстия называется дифракцией света. Если на пути распространения света поместить непрозрачное тело, линейные размеры которого значительно больше длины световой волны, то за ним образуется область геометрической тени. Если же размеры тела больше длины световой волны, то наблюдается захождение света в область геометрической тени (явление дифракции) и тем больше, чем меньше размеры тела. Волны полностью огибают тело, если его размеры меньше длины волны.

Дифракционной решеткой называется совокупность большого числа узких щелей в непрозрачном экране, которые имеют одинаковую ширину и расположены на равных расстояниях друг от друга. Формула дифракционной решетки (при нормальном падении лучей света на ее поверхность):

, где - постоянная дифракционной решетки (а – ширина щели; b – ширина промежутка между щелями); - угол между нормалью к дифракционной решетке и направлением на максимум; n – порядок максимума, считая от нулевого изображения щели; - длина волны падающего света.

Дисперсия – зависимость показателя преломления среды от длины волны распространяющегося света.

При прохождении белого света через трехгранную призму происходит разложение его в спектр. Спектр – пространственное разделение сложного света на составляющие цвета при прохождении через призму (дисперсионный спектр). Раскаленные твердые и жидкие вещества дают сплошной спектр, состоящий из всех спектральных цветов, непрерывно переходящих друг в друга, а раскаленные пары и газы в атомарном состоянии – линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками.

Если белый свет проходит через раскаленные пары и газы, то получается сплошной спектр, пересеченный темными линиями. Такой спектр, называется спектром поглощения. Раскаленные пары и газы поглощают от источника белого света свет тех длин волн, которые они сами излучают (закон Киргофа-Бунзена).

Атомы веществ излучают и поглощают энергию отдельными порциями, которые называют квантами или фотонами. Фотоны, как и материальные частицы, обладают энергией и массой.

Энергия фотона определяется по формуле

где - постоянная Планка, равная 6,625·10^-34Дж·с; - частота света; - скорость света в вакууме; - длина волны.