Обозначения : основные физические величины

Образец решения задач по теме «Электрический заряд»

Ниже приведены образцы решения простых задач по электростатике, в частности, на закон Кулона.

Задача 1. Несколько одинаковых заряженных шаров имеют показатели q1 = 6 микрокулон и q2 = -18 микрокулон. Они располагаются друг от друга на 36 сантиметров (0,36 метров). Насколько будет меняться сила их взаимодействия при соприкосновении друг с другом и разведении в сторону?

Чтобы решить эту задачу, нужно воспользоваться эл заряд формулой F=K*(q1*q2/r2), подставив вместо букв известные величины. В результате, выйдет число 7,5.

Задача 2. Маленькие одинаковые шары находятся на промежутке в 0,15 метра и притягиваются с силой 1 микроньютон. Задача состоит в определении первоначальных зарядов шаров.

Чтобы решить вторую задачу, нужно использовать ту же формулу Кулона, но немного видоизмененную: F=kq2/r2. Затем вывести из правила показатель q2. Он будет равен Fr2/k. Подставив известные значения и выполнив несложные расчеты, получится цифры в 10^-7 или 10 микрокулон.

Формула для решения

В целом, электрический заряд представляет собой физическую скалярную величину, которая определяет способность тел являться источником электромагнитного поля и участвовать во взаимодействии с ним. Отыскать величину, которая обозначается буквами q и Q, для решения задач или для выполнения другой работы, можно через закон сохранения, Кулона и представленные выше основные физические формулы.

«Количество теплоты. Удельная теплоёмкость»

Количество теплоты

Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.

Количество теплоты – это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы.  Количество теплоты обозначают буквой Q.

Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах — джоулях (Дж), как и всякий вид энергии.

В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии — калория (кал), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты — соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж.

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.

Удельная теплоёмкость

Удельная теплоёмкость – это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой с. Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой m от температуры t1°С до температуры t2°С, равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.

Q = c ∙ m (t2 — t1

По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость». Выберите дальнейшие действия:

  • Перейти к следующему конспекту:  «Уравнение теплового баланса»
  • Вернуться к списку конспектов по Физике
  • Посмотреть решение типовых задач на количество теплоты

Соответствие физической величины в системе СИ

Основные величины

ВеличинаСимволЕдиница СИОписание
Длинаlметр (м)Протяжённость объекта в одном измерении.
Весmкилограмм (кг)Величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел.
Времяtсекунда (с)Продолжительность события.
Сила электрического токаIампер (А)Протекающий в единицу времени заряд.

Термодинамическая

температура

Tкельвин (К)Средняя кинетическая энергия частиц объекта.
Сила света

Iv

кандела (кд)Количество световой энергии, излучаемой в заданном направлении в единицу времени.
Количество веществаνмоль (моль)Количество частиц, отнесенное к количеству атомов в 0,012 кг12C

Производные величины

ВеличинаСимволЕдиница СИОписание
ПлощадьSм2Протяженность объекта в двух измерениях.
ОбъёмVм3Протяжённость объекта в трёх измерениях.
Скоростьvм/сБыстрота изменения координат тела.
Ускорениеaм/с²Быстрота изменения скорости объекта.
Импульсpкг·м/сПроизведение массы и скорости тела.
Сила

F

кг·м/с2 (ньютон, Н)Действующая на объект внешняя причина ускорения.
Механическая работаAкг·м2/с2 (джоуль, Дж)Скалярное произведение силы и перемещения.
ЭнергияEкг·м2/с2 (джоуль, Дж)Способность тела или системы совершать работу.
МощностьPкг·м2/с3 (ватт, Вт)Скорость изменения энергии.
Давлениеpкг/(м·с2) (паскаль, Па)Сила, приходящаяся на единицу площади.
Плотностьρкг/м3Масса на единицу объёма.
Поверхностная плотностьρAкг/м2Масса на единицу площади.
Линейная плотностьρlкг/мМасса на единицу длины.
Количество теплотыQкг·м2/с2 (джоуль, Дж)Энергия, передаваемая от одного тела к другому немеханическим путём
Электрический зарядqА·с (кулон, Кл) 
НапряжениеUм2·кг/(с3·А) (вольт, В)Изменение потенциальной энергии, приходящееся на единицу заряда.
Электрическое сопротивлениеRм2·кг/(с3·А2) (ом, Ом)сопротивление объекта прохождению электрического тока
Магнитный потокΦкг/(с2·А) (вебер, Вб)Величина, учитывающая интенсивность магнитного поля и занимаемую им область.
Частотаνс−1 (герц, Гц)Число повторений события за единицу времени.
Уголαрадиан (рад)Величина изменения направления.
Угловая скоростьωс−1 (радиан в секунду)Скорость изменения угла.
Угловое ускорениеεс−2 (радиан на секунду в квадрате)Быстрота изменения угловой скорости
Момент инерцииIкг·м2Мера инертности объекта при вращении.
Момент импульсаLкг·м2/cМера вращения объекта.
Момент силыMкг·м2/с2Произведение силы на длину перпендикуляра, опущенного из точки на линию действия силы.
Телесный уголΩстерадиан (ср) 

Смотри также:

  • Справочные материалы по физике
  • Закон Ома
  • Первый закон Ньютона
  • Второй закон Ньютона
  • Третий закон Ньютона
  • Формулы кинематики
  • Формулы МКТ

Скобки

В круглых скобках указывается одна или несколько переменных, от которых зависит физическая величина. Например, f(x,y){\displaystyle f(x,y)} означает, что некоторая величина является функцией (f{\displaystyle f}) величин x{\displaystyle x} и y{\displaystyle y}.

СимволЗначение
u,v{\displaystyle }векторное произведение, коммутатор между двумя операторами, скобка Паерлза
(u,v){\displaystyle (\mathbf {u} ,\mathbf {v} )}скалярное произведение
⟨n|A^|m⟩{\displaystyle \langle n|{\hat {A}}|m\rangle }, ⟨u⟩{\displaystyle \langle u\rangle }бра и кет нотация, средняя величина
{u,v}{\displaystyle \{u,v\}}скобки Пуассона
|u|{\displaystyle |u|}модуль
‖u‖{\displaystyle \|u\|}норма

Специальные символы

СимволЗначение
намного меньше
намного больше
равно по порядку величины
пропорционально
∇{\displaystyle \nabla }оператор Гамильтона
∇⋅{\displaystyle \nabla \cdot }дивергенция
∇×{\displaystyle \nabla \times }ротор
{\displaystyle \square }даламбертиан
×{\displaystyle \times }векторное произведение
⊗{\displaystyle \otimes }тензорное произведение
∂{\displaystyle \partial }частная производная
ℏ{\displaystyle \hbar }приведённая постоянная Планка
!факториал
A{\displaystyle A\!\!\!/}слэш-обозначения Фейнмана
∧{\displaystyle \wedge }внешнее произведение
∫ab{\displaystyle \int _{a}^{b}}интеграл от a до b
∮C{\displaystyle \oint _{C}}интеграл по контуру
Øдиаметр

Формула нахождения заряда

Определить искомую величину можно из физико-математической формулы силы тока. В соответствии с ней, нужно перемножить силу тока на время его прохождения по проводнику. Количество заряда можно узнать через формулу +-ne, где n служит целым числом, а е равно значению = -1,6*10^-19 Кулон.

Обратите внимание! Формула заряда является следствием прямой зависимости напряженности электромагнитного поля от потенциала его частицы, что является основным правилом нахождения емкости заряженного конденсатора и величины энергии, накопленной в нём. Кроме того, вычислить количество заряда можно через силу Лоренца

Основные формулы

Ускорение свободного падения

Название этого пункта статьи является ответом на вопрос, что означает буква g в физике. Используют ее потому, что с латинского языка слово «гравитация» будет gravitas. Теперь осталось понять, что такое свободного падения ускорение. Чтобы это сделать, рассмотрим, какая сила действует на каждое тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Пусть тело имеет массу m, тогда получаем:

Здесь M, R — масса и радиус нашей планеты. Отметим, даже если тело находится на некоторой высоте h над поверхностью, то эта высота намного меньше величины R, поэтому в формуле ее можно не учитывать. Рассчитаем величину g:

Что в физике означает g? Ускорение g — это такая величина, на которую увеличивается скорость совершенно любого тела, падающего свободно на поверхность Земли. Из вычислений следует, что прирост к скорости за каждую секунду падения составляет 9,81 м/c (35,3 км/ч).

Обратим внимание, что величина g от массы тела не зависит. В действительности же можно заметить, что более плотные тела падают быстрее менее плотных

Происходит это потому, что на них действуют разные силы сопротивления воздуха, а не разная сила тяжести.

Формула выше позволяет определить g не только для нашей Земли, но и для любой другой планеты. Например, если в нее подставить массу и радиус Марса, то получим величину 3,7 м/с2, что почти в 2,7 раза меньше, чем для Земли.

Явление гравитации

Чтобы понять, что в физике означает g (в 7 классе общеобразовательных школ проходят эту тему), следует познакомиться с явлением гравитации. В конце XVII века Исаак Ньютон опубликовал свой знаменитый научный труд, в котором сформулировал основные положения механики. В этом труде особое место он выделил для так называемого закона Всемирного тяготения. Согласно нему все тела, которые обладают конечной массой, притягиваются друг к другу независимо от расстояния между ними. Сила притяжения между телами с массами m1, m2 вычисляется по следующей формуле:

Здесь G — универсальная гравитационная константа, r — расстояние между центрами масс тел в пространстве. Сила F называется гравитационным взаимодействием, которое, как и кулоновское, убывает с квадратом расстояния, однако в отличие от кулоновского гравитация носит только притягивающий характер.

Примечания

  1. M. Planck: «Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum», Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft 2 (1900) Nr. 17, S. 237—245, Berlin (vorgetragen am 14. Dezember 1900)
  2. Возможно, что буква S употребляется для обозначения как первая буква имени Сади Карно, которого Рудольф Клаузиус, первый кто употребил обозначение, считал важнейшим исследователем теории теплоты. См.: Clausius, Rudolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff’s Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 0-486-59065-8.

Вес тела и ускорение g

Выше мы рассмотрели, что в физике означает g, также выяснилось, что это ускорение, с которым все тела падают в воздухе, а также g является коэффициентом при вычислении силы тяжести.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда тело находится в состоянии покоя, например, стакан стоит на столе. На него действуют две силы — тяжести и реакции опоры. Первая связана с гравитацией и направлена вниз, вторая обусловлена упругостью материала стола и направлена вверх. Стакан не взлетает вверх и не проваливается сквозь стол только потому, что обе силы друг друга уравновешивают. В данном случае сила, с которой тело (стакан) давит на опору (стол) называется весом тела. Очевидно, что выражение для него примет вид:

Вес тела величина непостоянная. Записанная выше формула справедлива для состояния покоя или равномерного движения. Если же тело перемещается с ускорением, то его вес может, как возрастать, так и уменьшаться. Например, вес космонавтов, которых ракета-носитель выводит на околоземную орбиту, увеличивается в несколько раз во время старта.

Диакритические знаки

Диакритические знаки добавляются к символу физической величины для обозначения определённых различий. Ниже диакритические знаки добавлены для примера к букве x.

СимволЗначение
x˙{\displaystyle {\dot {x}}}первая производная по времени
x¨{\displaystyle {\ddot {x}}}вторая производная по времени
x′{\displaystyle x^{\prime }}первая производная
x′′{\displaystyle x^{\prime \prime }}вторая производная
x→{\displaystyle {\vec {x}}}векторная величина
x¯{\displaystyle {\bar {x}}}среднее значение, античастица, комплексно сопряжённое
x^{\displaystyle {\hat {x}}}оператор
x~{\displaystyle {\tilde {x}}}подчёркивает отличие величины от предварительно принятой
x^∗{\displaystyle {\hat {x}}^{*}}
x^†{\displaystyle {\hat {x}}^{\dagger }}оператор эрмитового сопряжения
Åангстрем

Как вычислять с помощью законов

Поскольку q и Q являются скалярными единицами, вычислить их с помощью законов можно через точные формулы, выведенные известными учеными-физиками. К примеру, в соответствии с законом Кулона, можно найти величину и силовое направление взаимодействия заряженных частиц между несколькими неподвижными телами.

Закон сохранения

Все элементарные частицы подразделяются на нейтральные или заряженные. Они вступают во взаимодействие друг с другом внутри электромагнитного поля. Частицы, которые имеют одноименный электрон, отталкиваются, а разноименный – притягиваются. В первом случае наблюдается избыток электронов, а во втором – их недостаток. Оба типа частиц заряжаются посредством электризации. На практике, при возникновении данного явления, заряженные частицы равны по модулю, несмотря на противоположность знаков. Когда разные частицы притягиваются, то между ними происходит электризация и сохранение электрона. При этом, сумма всех изолированных системных частиц не изменяется, то есть, q + q + q…= const.

Закон сохранения

Закон Кулона

Выше было сказано, что электрические заряженные микрочастицы бывают как положительными, так и отрицательными, а их наличие подтверждается силовым взаимодействием, которое с помощью экспериментов на весах описал в 1785 году О. Кулон, создав свой физико-математический закон.

Закон Кулона представляет собой физическую закономерность, которая описывает взаимодействие наэлектризованных частиц между не электризованными, в зависимости от промежутка между ними. В соответствии с этой формулировкой, чем больше электронов имеет частица, тем ближе она расположена к другой элементарной единице заряда, и, соответственно, сила возрастает.

Обратите внимание! При увеличении расстояния между частицами, сал их взаимодействия неизменно убывает. В математической формуле это выглядит так: F1 = F2 = K*(q1*q2/r2), где q1 и q2 считаются модулями заряженных микрочастиц, k является коэффициентом пропорциональности, который зависит от системного выбора единицы, а r — расстоянием

Закон Кулона

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий