Твердые тела, их признаки и некоторые свойства. III

До сих пор мы рассматривали перемещение тел в зависимости от времени без выяснения причин, вызывающих эти перемещения. Законы динамики устанавливают связь между движением тел и причинами, которые вызвали или изменили то или иное движение.

Рассмотрим поступательное движение материальной точки, для этого введем динамические характеристики, с помощью которых будем описывать такое движение. К таким характеристикам относятся понятие силы, массы, импульса . Начнем рассмотрение с движений тел в системах отсчета, которые называются инерциальными , и определение которых будет дано позднее.

1. Движение любого тела в инерциальной системе отсчета вызывается или изменяется только при взаимодействии с другими телами. Для описания взаимодействия между телами вводится понятие силы, которая дает количественную меру этого взаимодействия.

Физическая природа взаимодействия может быть различной, существуют гравитационные, электрические, магнитные и другие взаимодействия (см. Таблицу 1). В механике физическая природа сил несущественна, вопрос об их происхождении не выясняется. Но для всех видов взаимодействий их количественная мера должна быть выбрана единым образом. Измерять силы различной природы надо с помощью одних и тех же эталонов и единиц измерений. Законы механики универсальны , т.е. они описывают движение тел под действием силы любой природы. Для взаимодействий, которые рассматриваются в механике, сила может быть определена следующим образом.

Силой называется векторная величина F , являющаяся мерой механического воздействия одного тела на другое.

Механическое взаимодействие может осуществляться как между непосредственно контактирующими телами (сила трения, сила реакции опоры и т.д.), так и между удаленными телами.

Особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие, называется физическим полем, или просто полем .

Взаимодействия между удаленными телами осуществляется посредством гравитационных (сила тяжести) или электромагнитных полей.

Механическое действие силы может вызвать ускорение тела или его деформацию. Сила - результат взаимодействия двух тел . Для правильного определения сил, действующих на тело, можно воспользоваться литературой , где приведены многочисленные примеры.

Сила F - вектор - полностью определена, если заданы ее модуль (величина), направление в пространстве и точка приложения. Прямая, вдоль которой направлен вектор F , называется линией действия силы.

Если говорить о силе, приложенной не к материальной точке, а к твердому телу и вызывающей его поступательное движение, то воздействие на тело не изменится при переносе точки действия силы вдоль линии ее действия.

Одновременное действие на материальную точку С нескольких сил F 1 ,F 2 ..... F n эквивалентно действию одной силы, равной их геометрической (векторной) сумме и называемой результирующей или равнодействующей силой (см. Рисунок 7):

F рез. = F 1 +F 2 + ..... +F n .

Рисунок 7 - Векторное сложение сил.

Силы, действующие на тело или систему тел, можно разделить на внешние и внутренние . Тела, не входящие в состав исследуемой механической системы, называются внешними и силы , действующие с их стороны, - внешние . Внутренние силы - силы, действующие на точку или тело со стороны точек или тел, входящих в рассматриваемую систему.

Система, на которую не действуют внешние силы , называется изолированной или замкнутой.

2. Основополагающим понятием в динамике является понятие массы m , о котором в кинематике даже не упоминалось, не было необходимости. Любой материальный объект (тела, элементарные частицы, поля) обладает массой. Масса выступает как многосторонняя характеристика тела.

Она определяет его гравитационные свойства, т.е. силы, с которыми тело притягивается к другим телам, в частности, к Земле.

Масса характеризует инерционные свойства тела, т.е. способность тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, или изменить скорость.

Масса тела m определяет количество вещества в данном теле и равна произведению плотности вещества ρ на объем V тела:

Масса тела вместе с его скоростью определяет импульс и кинетическую энергию тела.

В классической механике для понятия массы характерно следующее:

• m = const, она не зависит от состояния движения тела,
• масса - величина аддитивная , т.е. масса системы равна арифметической сумме масс тел, входящих в систему,
• масса замкнутой системы остается неизменной при любых процессах, происходящих внутри системы (закон сохранения массы) .

Итак, для массы можно дать следующее определение.

Масса - мера инертности тела или мера гравитационного взаимодействия .

3. Импульсом материальной точки называется векторная величина, равная произведению ее массы на ее скорость P = mv .

Импульсом системы материальных точек называется вектор, равный геометрической (векторной) сумме импульсов всех материальных точек системы:

P = P 1 +P 2 +.....+ P n = P i

Используя понятие массы, импульс системы равен произведению массы всей системы на скорость ее центра масс P = mv ц.

Импульс P - вектор, по направлению совпадающий с направлением скорости.

Импульс - одна из фундаментальных характеристик физической системы. И масса, и скорость были определены ранее, но только импульс обладает уникальным свойством. Для него сформулирован закон сохранения импульса , который является универсальным законом. Он выполняется и в микромире (на уровне элементарных частиц, атомов и молекул), и в макромире (мир вокруг нас), и в мегамире (на уровне планет, Вселенной, Галактики). До сих пор не открыто явлений, в которых бы нарушался закон сохранения импульса.

Упражнение: 1

Филео (греч.) означает «люблю», фобос - «боюсь». Дайте объяснение терминов «хемофилия» и «хемофобия», отражающих резко противоположное отношение групп людей к химии. Кто из них прав? Обоснуйте свою точку зрения.

«Хемофилия» - интерес, склонность к химии. Также люди увлеченные наукой химией, интересующиеся ею, считающие, что современный мир невозможен без разработок новых химических веществ, и относящиеся положительно к производству химических веществ нужных в промышленности, сельском хозяйстве, космической индустрии, пищевой промышленности, в быту и т.д.
«Хемофобия» - неприятие химии и всего химического, противопоставление «химического» и «натурального». (Например, при выращивании растений в пищу.) Также люди, отрицательно относящиеся, к химии приводят, в пример загрязнение окружающей среды почвы, воды, воздуха. Это ведет к повышению заболеваемости людей и животных, живущих рядом с химическими производствами.
Правы и «хемофилы» и «хемофобы» - без химии невозможно существование современного мира, но создание безотходных, не отравляющих окружающую природу производств, создание производств по вторичной переработке различных пластиковых и иных отходов абсолютно необходимо. Химия – это только наука, а пользу или вред она приносит людям зависит от самих людей.

Упражнение: 5

Сравните понятие «простое вещество» и «сложное вещество». Найдите сходство и различие.

Общее у простых и сложных веществ , то, что они состоят из молекул и атомов.
Разное: простые состоят из атомов одного химического элемента, а сложные - из атомов разных химических элементов.

Упражнение: 6

Определите, какие из веществ, модели молекул которых изображены на рисунке 6, относят: а) к простым веществам; б) к сложным веществам.

Простые вещества: кислород, сера, гелий, озон.
Сложные вещества: этиловый спирт, метан, углекислый газ, угарный газ.

Упражнение: 8

Укажите, где о кислороде говорится как о химическом элементе, а где – как о простом веществе:
в) в воздухе содержится 20% кислорода (по объему);
г) кислород входит в состав углекислого газа.

О химическом элементе:
б) молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода;
г) кислород входит в состав углекислого газа.
О простом веществе:
а) кислород мало растворим в воде;
в) в воздухе содержится 20% кислорода (по объему).

Упражнение: 10

Рассмотрите связь между свойствами вещества и его применением на примере: а) стекла; б) полиэтилена; в) сахара; г) железа.

Стекло: твёрдое, прозрачное вещество, при плавлении способно принимать различную форму и сохранять её, не ядовито. На этих свойствах основано применение стекла в производстве оконных стекол, посуды, в оптических приборах.

Полиэтилен: легкое, пластичное вещество, не ядовито, способно вытягиваться в тонкие пленки, при плавлении способно принимать различную форму и сохранять её. На этих свойствах основано применение полиэтилена в производстве одноразовой посуды, упаковочного материала, в производстве труб.

Сахар: белое твердое вещество хорошо растворимо в воде не ядовито, без запаха, имеет сладкий вкус. Его используют в пищу, также применяют в пищевой промышленности и медицине.

Железо: серебристо-белый блестящий металл, Тпл.= 15390С, пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется, тепло- и электропроводный. Железо способно намагничиваться и размагничиваться, его применяют в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Железо – это основа современной техники и сельскохозяйственного машиностроения, транспорта, средств связи всей современной цивилизации. От швейной иглы до космической техники.

Твердыми являются кристаллические и аморфные тела. Кристалл — так в древности называли лед. А потом стали называть кристаллом кварц и считая эти минералы окаменевшим льдом. Кристаллы бывают природными и Они используются в ювелирной промышленности, оптике, радиотехнике и электронике, в качестве опор для элементов в сверхточных приборах, как сверхтвердый абразивный материал.

Кристаллические тела характеризуются твердостью, имеют строго закономерное положение в пространстве молекул, ионов или атомов, в результате чего образуется трехмерная периодическая кристаллическая решетка (структура). Внешне это выражается определенной симметрией формы твердого тела и его определенными физическими свойствами. Во внешней форме кристаллические тела отражают симметрию, свойственную внутренней "упаковке" частиц. Это определяет равенство углов между гранями всех кристаллов, состоящих из одного и того же вещества.

В них равными будут и расстояния от центра до центра между соседствующими атомами (если они расположены на одной прямой, то это расстояние будет одинаковым на всей протяженности линии). Но для атомов, лежащих на прямой с другим направлением, расстояние между центрами атомов будет уже иным. Этим обстоятельством объясняется анизотропия. Анизотропность - главное, чем отличаются кристаллические тела от аморфных.

Более 90% твердых тел можно отнести к кристаллам. В природе они существуют в виде монокристаллов и поликристаллов. Монокристаллы — одиночные, грани которых представлены правильными многоугольниками; для них характерно наличие непрерывной кристаллической решетки и анизотропии физических свойств.

Поликристаллы — тела, состоящие из множества мелких кристаллов, "сросшихся" между собой несколько хаотично. Поликристаллами являются металлы, сахар, камни, песок. В таких телах (например, фрагмент металла) анизотропия обычно не проявляется из-за беспорядочного расположения элементов, хотя отдельно взятому кристаллу этого тела свойственна анизотропия.

Другие свойства кристаллических тел: строго определенная температура (наличие критических точек), прочность, упругость, электропроводность, магнитопроводность, теплопроводность.

Аморфные - не имеющие формы. Так дословно переводится это слово с греческого. Аморфные тела созданы природой. Например, янтарь, воск, К созданию искусственных аморфных тел причастен человек - стекло и смолы (искусственные), парафин, пластмассы (полимеры), канифоль, нафталин, вар. не имеют вследствие хаотичного расположения молекул (атомов, ионов) в структуре тела. Поэтому для какого-либо аморфного тела изотропны - одинаковы во всех направлениях. Для аморфных тел не существует критической точки температуры плавления, они постепенно размягчаются при нагревании и переходят в вязкие жидкости. Аморфным телам отведено промежуточное (переходное) положение между жидкостями и кристаллическими телами: при низких температурах они твердеют и становятся упругими, кроме того, могут раскалываться при ударе на бесформенные куски. При высоких температурах эти же элементы проявляют пластичность, становясь вязкими жидкостями.

Теперь вы знаете, что такое кристаллические тела!

Часто твердыми называют тела, которые сохраняют свою форму и объем . Однако с физической точки зрения по этим признакам бывает трудно отличить твердое и жидкое состояния вещества.

Особым классом веществ, которые по внешним признакам также могут походить на твердые тела, являются полимеры.

Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, от poly – много и meros – доля, часть) – это соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно и нерегулярно повторяющихся одинаковых или различных звеньев.

К природным полимерам относятся натуральный каучук, целлюлоза, белки, природные смолы. Примером синтетических полимеров являются полистирол, полиэтилен, сложные полиэфиры.

Истинно же твердые тела – это кристаллы , одной из характерных особенностей которых является правильность их внешнего вида.

Приходится только удивляться совершенству формы снежинок и восхищаться их красотой.

Если насыщенный раствор гипосульфита – вещества, используемого в фотографии для закрепления изображений, на несколько дней оставить в открытой ванночке, то на ее дне образуются крупные кристаллы, также довольно правильной формы.

Правильную форму имеют и кристаллы поваренной соли, сахара.

Естественной формой кристаллов являются многогранники с плоскими гранями и постоянными для каждого вещества углами между ними.

Форма кристаллов различных веществ неодинакова. Но кристаллы одного и того же вещества могут быть различного цвета. Например, кристаллы кварца бывают бесцветными, золотистыми, розовыми, бледно-сиреневыми. В зависимости от цвета, им дают разные названия. Кристаллы кварца, например, могут называться горным хрусталем, дымчатым горным хрусталем, аметистом. С точки зрения ювелира многие кристаллы одного и того же вещества могут отличаться принципиальным образом. С точки зрения физика различия между ними вообще может не существовать, поскольку подавляющее количество свойств разноцветных кристаллов одного и того же вещества одинаково.

Физические свойства кристалла определяются не его цветом, а внутренним строением. Очень яркой иллюстрацией этого утверждения является различие многих свойств алмаза и графита, обладающих одинаковым химическим составом.

Одиночные кристаллы называются монокристаллами . Некоторые вещества, такие, например, как горный хрусталь, могут образовывать весьма большие монокристаллы, иногда очень правильной формы.

Особенностью многих монокристаллов является анизотропия – различие физических свойств в разных направлениях .

Анизотропия кристаллов тесно связана с их симметрией. Чем ниже симметрия кристалла, тем ярче выражена анизотропия.

Возьмем две пластинки, вырезанные из кристалла кварца в разных плоскостях. Капнем на пластинки воск и дадим ему застыть, после чего прикоснемся к образовавшимся восковым пятнам раскаленной иглой. По форме расплавившегося воска можно сделать вывод о том, что пластинка, вырезанная из кристалла в вертикальной плоскости, имеет разную теплопроводность в разных направлениях.

Если из большого куска льда вырезать два одинаковых бруска во взаимно перпендикулярных направлениях, положить их на две опоры и нагрузить, то бруски будут вести себя различным образом. Один брусок при увеличении нагрузки будет медленно прогибаться. Другой до некоторого значения нагрузки будет сохранять свою форму, а затем переломится.

Аналогичным образом можно говорить не только об анизотропии теплопроводности, прочности, но и других тепловых, механических, а также электрических, оптических свойств монокристаллов.

Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру , то есть состоит из множества хаотичным образом расположенных кристаллов и анизотропией физических свойств не обладает.