Физическая величина - это это такая физическая величина, которой по соглашению присвоено числовое значение, равное единице.

В таблицах приведены основные и производные физические величины и их единицы, принятые в Международной системе единиц (СИ).

Соответствие физической величины в системе СИ

Основные величины

Производные величины

Физика. Предмет и задачи.

2.Физические величины и их измерение. Система СИ.

3. Механика. Задачи механики.

.

5. Кинематика точки МТ. Способы описания движения МТ.

6. Перемещение. Путь.

7. Скорость. Ускорение.

8. Тангенциальное и нормальное ускорения.

9. Кинематика вращательного движения.

10. Закон инерции Галилея. Инерциальные системы отсчета.

11. Преобразования Галилея. Закон сложения скоростей Галилея. Инвариантность ускорения. Принцип относительности.

12.Сила. Масса.

13. Второй закон. Импульс. Принцип независимости действия сил.

14. Третий закон Ньютона.

15. Виды фундаментальных взаимодействий. Закон всемирного тяготения. Закон Кулона. Сила Лоренца. Силы Ван-дер-Ваальса. Силы в классической механике.

16. Система материальных точек (СМТ).

17. Импульс системы. Закон сохранения импульса в замкнутой системе.

18. Центр масс. Уравнение движения СМТ.

19. Уравнение движения тела переменной массы. Формула Циолковского.

20. Работа сил. Мощность.

21.Потенциальное поле сил. Потенциальная энергия.

22. Кинетическая энергия МТ в силовом поле.

23. Полная механическая энергия. Закон сохранения энергии в механике.

24. Момент импульса. Момент силы. Уравнение моментов.

25. Закон сохранения момента импульса.

26. Собственный момент импульса.

27. Момент инерции ТТ относительно оси. Теорема Гюгенса - Штейнера.

28. Уравнение движения ТТ, вращающегося вокруг неподвижной оси.

29. Кинетическая энергия ТТ, совершающего поступательное и вращательное движения.

30. Место колебательного движения в природе и технике.

31. Свободные гармонические колебания. Метод векторных диаграмм.

32. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники.

33. Динамические и статистические закономерности в физике. Термодинамический и статистический методы.

34. Свойства жидкостей и газов. Массовые и поверхностные силы. Закон Паскаля.

35. Закон Архимеда. Плавание тел.

36. Тепловое движение. Макроскопические параметры. Модель идеального газа. Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Понятие о температуре.

37. Уравнение состояния.

38. Опытные газовые законы.

39. Основное уравнение МКТ.

40. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.

41. Число степеней свободы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы.

42. Внутренняя энергия идеального газа.

43. Длина свободного пробега газа.

44. Идеальный газ в силовом поле. Барометрическая формула. Закон Больцмана.

45. Внутренняя энергия системы – функция состояния.

46. Работа и теплота как функции процесса.

47. Первое начало термодинамики.

48. Теплоемкость многоатомных газов. Уравнение Роберта-Майера.

49. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.

50 Скорость звука в газе.

51..Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы.

52. Тепловые машины.

53. Цикл Карно.

54. Второе начало термодинамики.

55. Понятие об энтропии.

56. Теоремы Карно.

57. Энтропия при обратимых и необратимых процессах. Закон возрастания энтропии.

58. Энтропия как мера беспорядка в статистической системе.

59. Третье начало термодинамики.

60.Термодинамические потоки.

61. Диффузия в газах.

62. Вязкость.

63. Теплопроводность.

64.Термодиффузия.

65. Поверхностное натяжение.

66.Смачивание и несмачивание.

67. Давление под искривленной поверхностью жидкости.

68. Капиллярные явления.

Физика. Предмет и задачи.

Физика - естественная наука. В её основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а её задача - формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточена на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д.

Предмет её изучения составляет материя (в виде вещества и полей) и наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических уравнений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физической науки.

Размерность физической величины определяется используемой системой физических величин, которая представляет собой совокупность физических величин, связанных между собой зависимостями, и в которой несколько величин выбраны в качестве основных. Единица физической величины - это такая физическая величина, которой по соглашению присвоено числовое значение, равное единице.Системой единиц физических величин называют совокупность основных и производных единиц, основанную на некоторой системе величин.В расположенных ниже таблицах приведены физические величины и их единицы, принятые в Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин.

Физические величины и единицы их измерения. Система СИ.

Международная система единиц (СИ) - система единиц, основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями и обозначениями вместе с правилами их применения, принятая Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM).

Международный словарь по метрологии
СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1960 году, некоторые последующие конференции внесли в СИ ряд изменений.
СИ определяет семь основных единиц физических величин и производные единицы (сокращённо - единицы СИ или единицы), а также набор приставок. СИ также устанавливает стандартные сокращённые обозначения единиц и правила записи производных единиц.
Основные единицы: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, то есть ни одна из основных единиц не может быть получена из других.
Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. Некоторым из производных единиц в СИ присвоены собственные наименования, например, единице радиан.
Приставки можно использовать перед наименованиями единиц. Они означают, что единицу нужно умножить или разделить на определённое целое число, степень числа 10. Например, приставка «кило» означает умножение на 1000 (километр = 1000 метров). Приставки СИ называют также десятичными приставками.

Механика. Задачи механики.

Механика – раздел физики, в котором изучаются закономерности механического движения, а также причины, вызывающие или изменяющие движение.

Основной задачей механики является описание механического движения тел, то есть установление закона (уравнения) движения тела на основе характеристик, описывают (координаты, перемещение, длина пройденного пути, угол поворота, скорость, ускорение и т.п.).Иными словами, если с помощью составленного закона (уравнения) движения можно определить положение тела в любой момент времени, то основная задача механики считается решенной. В зависимости от выбранных физических величин и методов решения основной задачи механики ее разделяют на кинематику, динамику и статику.

4.Механическое движение. Пространство и время. Системы координат. Измерение времени. Система отсчета. Векторы.

Механическим движением называют изменение положения тел в пространстве относительно других тел с течением времени. Механическое движение делят на поступательное, вращательное и колебательное.

Поступательным называется такое движение, при котором любая прямая проведенная в теле, перемещается параллельно себе. Вращательным называется движение, при котором все точки тела описывают концентрические окружности относительно некоторой точки, называемой центром вращения. Колебательным называют движение, при котором тело совершает периодически повторяющиеся движения около среднего положения, то есть колеблется.

Для описания механического движения вводится понятие системы отсчета .виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта. Она включает в себя тело отсчета, систему координат и часы. Тело отсчета – это тело, к которому «привязывается» система координат. система координат , которая представляет из себя точку отсчёта (начало координат). Система координат имеет 1, 2 или 3 оси в зависимости от условий движения. Положение точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) или в пространстве (3 оси) определяют соответственно одной, двумя или тремя координатами. Для определения положения тела в пространстве в любой момент времени также необходимо задать начало отсчёта времени. Известны разные системы координат: декартова, полярная, криволинейная и т.д. На практике используют чаще всего декартову и полярную системы координат. Декартова система координат – это (например, в двухмерном случае) два взаимно перпендикулярных луча, выходящих из одной точки, называемой началом координат, с нанесенным на них масштабом (рис.2.1а). Полярная система координат – это в двухмерном случае радиус–вектор, выходящий из начала координат и угол θ, на который поворачивается радиус-вектор (рис.2.1б). Часы необходимы для измерения времени.

Линия, которую описывает материальная точка в пространстве, называют траекторией . Для двумерного движения на плоскости (х,у) это функция у(х). Расстояние, пройденное материальной точкой вдоль траектории, называют длиной пути (рис.2.2). Вектор , соединяющий начальное положение движущейся материальной точки r(t 1) с каким – либо ее последующим положением r(t 2) называют перемещением (рис.2.2):

.

Рис. 2.2. Длина пути (выделена жирной линией); – вектор перемещения.

Каждая из координат тела зависит от времени х=х(t), у=у(t), z=z(t). Эти функции изменения координат в зависимости от времени называют кинематическим законом движения, например, длях=х(t) (рис.2.3).

Рис.2.3. Пример кинематического закона движения х=х(t).

Вектор-направленный отрезок для которого указано его начало и конец.Пространство и время-понятия обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок сосуществование отдельных объектов. Время определяет порядок смены явлений.

По своему назначению и предъявляемым требованиям различают следующие виды эталонов.

Первичный эталон – обеспечивает воспроизведение и хранение единицы физической величины с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью. Первичные эталоны – уникальные измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники и обеспечивающие единства измерений в стране.

Специальный эталон - обеспечивает воспроизведение единицы физической величины в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима, и служит для этих условий первичным эталоном.

Первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным. Государственные эталоны утверждаются Госстандартом, и на каждый их них утверждается государственный стандарт. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными научными метрологическими институтами страны.

Вторичный эталон – хранит размеры единицы физической величины, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей физической величины. Вторичные эталоны относятся к подчиненным средствам хранения единиц и передачи их размеров при проведении поверочных работ и обеспечивают сохранность и наименьший износ государственных первичных эталонов.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия – предназначен для передачи размера единицы физической величины рабочим эталоном при большом объеме поверочных работ. Он является копией государственного первичного эталона только по метрологическому назначению, но не всегда является физической копией.

Эталон сравнения – применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом.

Эталон-свидетель – предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. Поскольку большинство государственных эталонов создано на основе использования наиболее устойчивых физических явлений и являются по этому неразрушаемыми, в настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетеля.

Рабочий эталон – применяется для передачи размера единицы физической величины рабочим средством измерения. Это самый распространенный вид эталонов, которые используются для проведения поверочных работ территориальными и ведомственными метрологическими службами. Рабочие эталоны подразделяются на разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой.

Эталоны основных единиц СИ.

Эталон единицы времени . Единицу времени – секунду – долгое время определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток. Позднее обноружили, что вращение Земли вокруг соей оси происходит неравномерно. Тогда в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца – тропический год, т.е. интервал времени между двумя весенними равноденствиями, следующими одно за другим. Размер секунды был определен как 1/31556925,9747 часть тропического года. Это позволило почти в 1000 раз повысить точность определения единицы времени. Однако в 1967 году 13-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интервала времени, в течении которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты.

В 1972 году осуществлен переход на систему всемирного координированного времени. Начиная с 1997 года, государственный первичный контроль и государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определяются правилами межгосударственной стандартизации ПМГ18-96 «Межгосударственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты».

Государственный первичный эталон единицы времени, состоящий из комплекса измерительных средств, обеспечивает воспроизведение единиц времени со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1*10 -14 за три месяца.

Эталон единицы длины. В1889 году метр был принят равным расстоянию между двумя штрихами, нанесенными на металлическом стержне Х-образного поперечного сечения. Хотя международный и национальные эталоны метра были изготовлены из сплава платины и иридия, отличающегося значительной твердостью и большим сопротивлением окислению, однако не было полной уверенности в том, что длина эталона с течением времени не изменится. Кроме того, погрешность сличения между собой платино-иридиевых штриховых метров составляет + 1,1*10 -7 м (+0,11 мкм), а так как штрихи имеют значительную ширину, существенно повысить точность этого сличения нельзя.

После изучения спектральных линий ряда элементов было найдено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. В 1960 году 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла выражение размера метра в длинах этих волн как наиболее точное его значение.

Криптоновый метр позволил на порядок повысить точность воспроизведения единицы длины. Однако дальнейшее исследование позволило получить более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. Разработка новых эталонных комплексов по воспроизведению метра привела к определению метра как расстояния, которое проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Данное определение метра закреплено законодательно в 1985 году.

Новый эталонный комплекс по воспроизведению метра кроме повышения точности измерения в необходимых случаях позволяет так же следить за постоянством платино-иридиевого эталона, ставшего теперь вторичным эталоном, используемым для передачи размера единицы рабочим эталоном.

Эталон единицы массы. При установлении метрической системы мер в качестве единицы времени приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4 0 С).

В этот период были проведены точные определения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.

Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной ее диаметру. Как и прототип метра, он был передан на хранение в Национальный архив Франции. В 19 веке повторно осуществили несколько тщательных измерений массы одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4 0 С. При этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0, 028г) меньше прототипа килограмма Архива. Для того, чтобы при дальнейших, более точных, взвешиваниях не менять значение исходной единицы массы, Международной комиссией по прототипам метрической системы в 1872г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.

При изготовлении платино-иридиевых эталонов килограмма за международной прототип был принят тот, масса которого меньше всего отличалась от массы прототипа килограмма Архива.

В связи с принятием условного прототипа единицы массы литр оказался не равным кубическому дециметру. Значение этого отклонения (1л=1, 000028 дм 3) соответствует разности между массой международного прототипа килограмма и массой кубического дециметра воды. В 1964 году 12-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение о приравнивании объема 1 л к 1дм 3 .

Следует отметить, что в момент установления метрической системы мер не было четкого разграничения понятий массы и веса, поэтому международный прототип килограмма считался эталоном единицы веса. Однако уже при утверждении международного прототипа килограмма на 1-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 году килограмм был утвержден в качестве прототипа массы.

Четкое разграничение килограмма как единицы массы и килограмма как единицы силы было дано в решениях 3-й Генеральной конференции по мерам и весам (1901г).

Государственный первичный эталон и поверочная схема для средств изменения массы определяется ГОСТ 8.021 – 84. Государственный эталон состоит из комплекса мер и измерительных средств:

· национального прототипа килограмма – копии № 12 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платино-иридиевого сплава и предназначенного для передачи размера единицы массы гире R1;

· национального прототипа килограмма – копия № 26 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платино-иридиевого сплава и предназначенного для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимый национальным прототипом килограмма – копии № 12, и замены последнего в период его сличений в Международном бюро мер и весов;

· гири R1 и набора гирь, изготовленных из платино-иридиевого сплава и предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам – копиям;

· эталонных весов.

Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы массы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с международным прототипом килограмма, не превышающим 2*10 -3 мг.

Эталонные весы, с помощью которых производится сличение эталона массы, с диапазоном взвешивания 2*10 -3 … 1кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдения на весах 5*10 -4 … 3*10 -2 мг.

Объектами измерений являются свойства объективных реальностей (тел, веществ, явлений, процессов). Свойство -- это выражение какой-либо стороны вещи или явления. Каждая вещь обладает множеством свойств, в которых проявляется ее качество. Одни свойства существенны, другие несущественны. Изменение существенных свойств равнозначно изменению качественного состояния вещи или явления.

Технологическая деятельность человека связана с измерением различных физических величин.

Физическая величина - это характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Значение физической величины -- это оценка ее величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц или числа по принятой для нее шкале. Например, 120 мм -- значение линейной величины; 75 кг -- значение массы тела, НВ190 -- число твердости по Бринеллю.

Различают истинное значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношении свойства измеряемого объекта, и действительное, найденное экспериментально, но которое достаточно близко к истинному значению физической величины и может быть использовано вместо действительного.

Измерением физической величины называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу, или воспроизводящую шкалу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

В теории измерений принято, в основном, пять типов шкал: наименования, порядка, интервалов, отношений и абсолютная.

Шкалы наименований характеризуются только отношением эквивалентности. По своей сути она является качественной, не содержит нуля и единицы измерения. Примером такой шкалы является оценка цвета по наименованиям (атласы цветов). Так как каждый цвет имеет множество вариаций, то такое сравнение может выполнить только опытный эксперт, обладающий соответствующими зрительными возможностями.

Шкалы порядка характеризуются отношением эквивалентности и порядка. Для практического использования такой шкалы необходимо установить ряд эталонов. Классификация объектов осуществляется сравнением интенсивности оцениваемого свойства с его эталонным значением. К шкалам порядка относятся, например, шкала землетрясений, шкала силы ветра, шкала твердости тел и т. п.

Шкала разностей отличается от шкалы порядка тем, что кроме отношений эквивалентности и порядка добавляется эквивалентность интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойства. Она имеет условные нулевые значения, а величина интервалов устанавливается по согласованию. Характерным примером такой шкалы является шкала интервалов времени. Интервалы времени можно суммировать (вычитать).

Шкалы отношений описывают свойства, к которым применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а, следовательно, вычитания и умножения. Эти шкалы имеют естественное нулевое значение, а единицы измерений устанавливаются по согласованию. Для шкалы отношений достаточно одного эталона, чтобы распределить все исследуемые объекты по интенсивности измеряемого свойства. Примером шкалы отношений является шкала массы. Масса двух объектов равна сумме масс каждого из них.

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношениям одноименных физических величин, описываемых шкалами отношений). Среди абсолютных шкал выделяются абсолютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Такой величиной является, например, коэффициент полезного действия.

Большинство свойств, которые рассматривают в метрологии, описывается одномерными шкалами. Однако имеются свойства, описание которых может быть выполнено только с применением многомерных шкал. Например, трехмерные шкалы цвета в колориметрии.

Практическая реализация шкал конкретных свойств достигается путем стандартизации единиц измерений, шкал и (или) способов и условий их однозначного воспроизведения. Понятие неизменной для любых точек шкалы единицы измерений имеет смысл только для шкал отношений и интервалов (разностей). В шкалах порядка можно говорите только о числах, приписанных конкретным проявлениям свойства. Говорить о том, что такие числа отличаются в такое-то число раз или на столько-то процентов, нельзя. Для шкал отношений и разностей иногда недостаточно установить только единицу измерений. Так, даже для таких величин, как время, температура, сила света (и другие световые величины), которым в Международной системе единиц (SI) соответствуют основные единицы -- секунда, Кельвин и кандела, практические системы измерений опираются также на специальные шкалы. Кроме того, сами единицы SI в ряде случаев базируются на фундаментальных физических константах.

В этой связи можно выделить три вида физических величин, измерение которых осуществляется по различным правилам.

К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности. Это отношения типа «мягче», «тверже», «теплее», «холоднее» и т. д.

К величинам такого рода относятся, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела; температура как степень нагретости тела и т. п.

Существование таких отношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физической величины на какие-либо объекты.

Для второго вида физических величин отношение порядка и эквивалентности имеет место как между размерами, так и между разностями в парах их размеров. Так, разности интервалов времени считаются равными, если расстояния между соответствующими отметками равны.

Третий вид составляют аддитивные физические величины.

Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения порядка и эквивалентности, но операции сложения и вычитания. К таким величинам относятся длина, масса, сила тока и т. п. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер. Например, сумма масс двух тел -- это масса такого тела, которое уравновешивает на равноплечих весах первые два.