F 20-014

Fragen und Aufgaben für Prüfungen und Tests

Zugelassen

Protokoll der Abteilungssitzung

Nr. ____ vom _______________

Fragen für die Prüfung

nach Disziplin _________________ Physik ________________

__1 __Kurs, Spezialität 1-43 01 07 Technischer Betrieb Kraftausrüstung

Organisationen

______Tag _____Lernformen

1. Das Fach Physik. Methoden physikalische Forschung Schlüsselwörter: Erfahrung, Hypothese, Experiment, Theorie. Die Rolle der Physik bei der Entwicklung der Technik und der Einfluss der Technik auf die Entwicklung der Physik. Verbindung der Physik mit anderen Wissenschaften.
2. mechanische Bewegung als Einfachste Form die Bewegung der Materie. Vorstellungen über die Eigenschaften von Raum und Zeit, die der klassischen (Newtonschen) Mechanik zugrunde liegen. Grenzen der Anwendbarkeit der klassischen Mechanik.
3. Elemente der Kinematik eines materiellen Punktes. Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Punktes als Ableitungen des Radiusvektors nach der Zeit. Normal und tangentiale Beschleunigung. Der Krümmungsradius des Pfads.
4. Trägheitsbezugssysteme. Dynamik eines materiellen Punktes und Translationsbewegung Festkörper.
5. Gesetze der Dynamik eines materiellen Punktes und Systems materieller Punkte. Äußere und innere Kräfte.
6. Schwerpunkt (Trägheitszentrum) Mechanisches System und das Gesetz seiner Bewegung.
7. Impuls. Impulserhaltungssatz.
8. Energie als universelles Maß verschiedene Formen Bewegung und Interaktion. Die kinetische Energie eines mechanischen Systems und ihre Verbindung mit der Arbeit von externen und interne Kräfte an das System angeschlossen.
9. Satz ändern kinetische Energie. Arbeit variable Kraft. Leistung.
10. Feld als Form von Materie, die eine Kraftwechselwirkung zwischen Materieteilchen ausführt. Das Konzept eines Farbverlaufs Skalarfunktion Koordinaten. Das Feld der Zentralkräfte.
11. Potentielle Energie eines materiellen Punktes in einem äußeren Kraftfeld und ihre Beziehung zur einwirkenden Kraft materieller Punkt. Potentielle Energie des Systems.
12. Das Gesetz der Erhaltung der mechanischen Energie. Energiedissipation. Anwendung der Erhaltungssätze auf den Stoß elastischer und unelastischer Körper. Verformungsenergie.
13. Galileische Transformationen. Mechanisches Prinzip Relativität. Postulate spezielle Theorie Relativität.
14. Lorentz-Transformationen. Das Konzept der Gleichzeitigkeit. Relativität von Längen und Zeitintervallen.
15. Das Intervall zwischen Ereignissen und seine Invarianz in Bezug auf die Wahl Trägheitssystem Referenz als Manifestation der Beziehung zwischen Raum und Zeit.
16. Relativistisches Additionsgesetz der Geschwindigkeiten. relativistisches Momentum. Das Grundgesetz der relativistischen Dynamik eines materiellen Punktes.
17. Relativistischer Ausdruck für kinetische Energie. Zusammenhang von Masse und Energie. Zusammenhang zwischen Gesamtenergie und Impuls eines Teilchens.
18. Elemente der Kinematik Drehbewegung. Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung, ihr Zusammenhang mit linearen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von Punkten eines rotierenden Körpers.
19. Kraftmoment um die Achse. Der Drehimpuls des Körpers relativ zu feste Achse Drehung. Das Trägheitsmoment des Körpers um die Achse. Satz von Huygens-Steiner.
20. Gleichung der Dynamik der Rotationsbewegung eines starren Körpers relativ zu einer festen Achse. Kinetische Energie eines rotierenden Körpers.
21. Der Erhaltungssatz des Drehimpulses der Rotationsbewegung eines starren Körpers und sein Zusammenhang mit der Isotropie des Raumes.
22. Nicht-Trägheitsbezugssysteme. Trägheitskräfte.
23. Harmonisch mechanische Schwingungen. Kinematische Eigenschaften harmonische Schwingungen. Energie harmonischer Schwingungen.
24. Differentialgleichung harmonische Schwingungen. Feder, physikalische und mathematische Pendel.
25. Addition von harmonischen Schwingungen einer Richtung und die gleiche Frequenz. schlägt. Addition senkrecht aufeinander stehender Schwingungen.
26. Differentialgleichung gedämpfte Schwingungen und seine Entscheidung. Differentialgleichung erzwungene Schwingungen und seine Entscheidung.
27. Amplitude und Phase erzwungener Schwingungen. Das Konzept der Resonanz.

Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen. Gleichungen der Flüssigkeitsbewegung. Ideale und viskose Flüssigkeiten. Hydrostatik einer inkompressiblen Flüssigkeit.

Stationäre Bewegung ideale Flüssigkeit. Bernoulli-Gleichung.

1. Hydrodynamik einer viskosen Flüssigkeit. Viskositätskoeffizient. Poiseuille-Formel. Stokes-Formel.
2. Hydrodynamische Instabilität. Turbulenz.
3. Elastische Spannung. Hookesches Gesetz. Elastizitätsmodul. Zug- und Druckverformungen.
4. Statistische und thermodynamische Forschungsmethoden. Thermodynamische Parameter. Gleichgewichtszustände und Prozesse.
5. Experimental- Gasgesetze. Mendeleev-Clapeyron-Gleichung. Ideales Gas.
6. Grundgleichung der molekularkinetischen Theorie ideales Gas.
7. Durchschnittliche kinetische Energie von Molekülen. Molekularkinetische Interpretation der thermodynamischen Temperatur.
8. Die Anzahl der Freiheitsgrade eines Moleküls. Gesetz gleichmäßige Verteilung Energie in Form der Freiheitsgrade von Molekülen.
9. Maxwellsches Gesetz für die Verteilung von Molekülen eines idealen Gases gemäß den Geschwindigkeiten und Energien der thermischen Bewegung.
10. barometrische Formel. Boltzmannsches Gesetz für die Verteilung von Teilchen in einem äußeren Potentialfeld.
11. Durchschnittliche Anzahl von Kollisionen und durchschnittliche Länge freie Bahn der Moleküle.
12. Die Gesetze der Diffusion, Wärmeleitung u innere Reibung. Molekularkinetische Theorie dieser Phänomene.
13. Innere Energie ideales Gas. Die Arbeit, die ein Gas verrichtet, wenn sich sein Volumen ändert. Wärmemenge.
14. Erster Hauptsatz der Thermodynamik. Anwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik auf Isoprozesse und den adiabatischen Prozess eines idealen Gases.
15. Wärmekapazität. Die Abhängigkeit der Wärmekapazität eines idealen Gases von der Art des Prozesses. Klassische molekularkinetische Theorie der Wärmekapazität idealer Gase und ihre Grenzen.
16. Kreisprozess (Kreislauf). Reversible und irreversible Prozesse. Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen.
17. Carnot-Zyklus und seine Effizienz für ein ideales Gas.
18. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Unabhängigkeit der Effizienz des Carnot-Kreises von der Art des Arbeitsmediums.
19. Entropie eines idealen Gases. Statistische Interpretation des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.
20. Abweichungen von den Gesetzen idealer Gase. echte Gase. Kräfte und potentielle Energie der intermolekularen Wechselwirkung. Effektiver Moleküldurchmesser.
21. Van-der-Waals-Gleichung. Vergleich von Van-der-Waals-Isothermen mit experimentellen Isothermen.
22. Kritische Situation. Innere Energie eines realen Gases.
23. Phasenübergänge Art I und II. Eigenschaften von Flüssigkeit und feste Zustände Substanzen.

Stellen Sie sich eine stationäre Strömung eines idealen Fluids in einem potentiellen Kraftfeld vor, beispielsweise im Feld der Schwerkraft. Wenden wir auf diesen Strom den Energieerhaltungssatz an. Nehmen wir ein unendlich enges Strahlrohr in der Flüssigkeit heraus und betrachten den Teil der Flüssigkeit, der das Volumen einnimmt MNDC. Lassen Sie dieses Teil sich in eine unendlich geschlossene Position bewegen (Abb. 6.2). Bei einer kleinen Verschiebung kann der Querschnittsunterschied vernachlässigt werden MN und , CD und .

Lassen Sie uns die Arbeit berechnen SONDERN erfolgt durch Druckkräfte. Druckkräfte, die senkrecht zur Verschiebung auf die Seitenfläche des Stromrohrs wirken, wirken nicht. Beim Verschieben der Grenze MN Arbeit wird durch die Druckkräfte verrichtet, wobei der Betrag der Verschiebung ist. Diese Arbeit kann als oder dargestellt werden, wobei die Masse der Flüssigkeit im Volumen ist. Beim Verschieben der Grenze CD In Position arbeitet die Flüssigkeit gegen Druckkräfte. Ähnlich argumentierend finden wir , wo ist die Masse der Flüssigkeit im Volumen .

20. Hydrodynamik einer viskosen Flüssigkeit, Viskositätskoeffizient. Rohrfluss. Poiselle-Formel. Das Gesetz der Ähnlichkeit. Stokes-Formel. Turbulenz.\

In der Hydrostatik werden Flüssigkeiten unabhängig von der Ortsausrichtung auf Kompression reduziert. In der Dynamik, der inneren Reibung von Schichten einer bewegten Flüssigkeit aneinander, entstehen Tangenten. Die Tangenten werden durch die Viskosität des Fluids erzeugt. Es ist davon auszugehen, dass auch die Viskosität der Flüssigkeit den Normalwert beeinflusst. Aus mathematischen Positionen ist es notwendig, die Art der funktionalen Abhängigkeit für festzustellen, d.h. Bilden Sie ein Modell einer viskosen Flüssigkeit. Das angenommene Modell einer viskosen Flüssigkeit erfüllt die folgenden Hypothesen: Linearität, Homogenität und Isotropie. Der Viskositätskoeffizient einer Flüssigkeit ist eine Einheit, die sich auf ihre Fähigkeit bezieht, Scherkräften zu widerstehen. Substanzen mit einem hohen Viskositätsindex benötigen eine größere Scherkraft, um Flüssigkeiten zu scheren, als Substanzen mit einem niedrigeren Viskositätsindex. Die Viskosität ist keine konstante, feste Eigenschaft einer Flüssigkeit. Diese Eigenschaft, die je nach Dichte der Flüssigkeit und Temperatur variiert. Die dynamische Viskosität von Flüssigkeiten nimmt mit steigender Temperatur ab und mit steigendem Druck zu.

Wenn sich Flüssigkeit in einem runden Rohr bewegt, ist die Geschwindigkeit an den Rohrwänden Null und an der Rohrachse maximal. Unter der Annahme einer laminaren Strömung finden wir das Gesetz der Geschwindigkeitsänderung mit dem Abstand r von der Rohrachse.

Poiseuille-Formel

Hydrodynamische Ähnlichkeit besteht aus drei Komponenten: geometrische Ähnlichkeit, kinematische und dynamische.

Geometrische Ähnlichkeit ist, wie aus der Geometrie bekannt, die Proportionalität ähnlicher Größen und die Gleichheit der entsprechenden Winkel. Unter geometrischer Ähnlichkeit versteht man die Ähnlichkeit derjenigen Oberflächen, die Strömungen begrenzen, also die Ähnlichkeit von Kanälen (oder Kanälen).

Kinematische Ähnlichkeit bedeutet die Proportionalität lokaler Geschwindigkeiten an ähnlichen Punkten und die Gleichheit der Winkel, die die Richtung dieser Geschwindigkeiten charakterisieren

In Fluidströmungen wirken üblicherweise unterschiedliche Kräfte: Druckkräfte, Viskosität (Reibung), Gravitation usw. Die Beachtung ihrer Proportionalität bedeutet vollständige hydrodynamische Ähnlichkeit. Die praktische Umsetzung einer vollständigen hydrodynamischen Ähnlichkeit erweist sich als sehr schwierig, daher handelt es sich normalerweise um eine teilweise (unvollständige) Ähnlichkeit, bei der nur die Proportionalität der Hauptkräfte beobachtet wird.

Stokes-Formel

Typischerweise setzen Turbulenzen ein, wenn ein kritischer Parameter überschritten wird, wie beispielsweise die Reynolds- oder Rayleigh-Zahl (im speziellen Fall die Strömungsgeschwindigkeit bei konstanter Dichte und Durchmesser des Rohrs und/oder Temperatur an der äußeren Begrenzung des Mediums).

Unter bestimmten Parametern werden Turbulenzen in Flüssigkeits- und Gasströmungen, Mehrphasenströmungen, Flüssigkristallen, Quanten-Bose- und Fermi-Flüssigkeiten, magnetischen Flüssigkeiten, Plasma und beliebigen kontinuierlichen Medien (z. B. in Sand, Erde, Metallen) beobachtet. Turbulenzen werden auch bei Sternexplosionen, in superflüssigem Helium, in beobachtet Neutronensterne, in der Lunge einer Person, die Bewegung des Blutes im Herzen während der turbulenten (sogenannten Vibrations-) Verbrennung.

Turbulenzen treten spontan auf, wenn benachbarte Bereiche des Mediums aufeinander folgen oder sich durchdringen, bei einem Druckunterschied oder bei vorhandener Schwerkraft, oder wenn Bereiche des Mediums undurchlässige Oberflächen umströmen. Es kann in Gegenwart einer erzwingenden zufälligen Kraft auftreten. Üblicherweise wirken die äußere Zufallskraft und die Schwerkraft gleichzeitig. Beispielsweise stürzt während eines Erdbebens oder einer Windböe eine Lawine von einem Berg ab, in dem der Schneefluss turbulent ist. Die momentanen Strömungsparameter (Geschwindigkeit, Temperatur, Druck, Verunreinigungskonzentration) schwanken zufällig um Durchschnittswerte. Die Abhängigkeit der quadrierten Amplitude von der Oszillationsfrequenz (oder Fourier-Spektrum) ist eine stetige Funktion.

Stellen Sie sich eine stationäre Strömung eines idealen Fluids in einem potentiellen Kraftfeld vor, beispielsweise im Feld der Schwerkraft. Wenden wir auf diesen Strom den Energieerhaltungssatz an. Nehmen wir ein unendlich enges Strahlrohr in der Flüssigkeit heraus und betrachten den Teil der Flüssigkeit, der das Volumen einnimmt MNDC. Lassen Sie dieses Teil sich in eine unendlich geschlossene Position bewegen (Abb. 6.2). Bei einer kleinen Verschiebung kann der Querschnittsunterschied vernachlässigt werden MN und , CD und .

Lassen Sie uns die Arbeit berechnen SONDERN erfolgt durch Druckkräfte. Die Druckkräfte wirken auf Seitenfläche Die Stromröhren stehen senkrecht zur Verschiebung, sie arbeiten nicht. Beim Verschieben der Grenze MN Arbeit wird durch die Druckkräfte verrichtet, wobei der Betrag der Verschiebung ist. Diese Arbeit kann als oder dargestellt werden, wobei die Masse der Flüssigkeit im Volumen ist. Beim Verschieben der Grenze CD In Position arbeitet die Flüssigkeit gegen Druckkräfte. Ähnlich argumentierend finden wir , wo ist die Masse der Flüssigkeit im Volumen .

Wenn die Bewegung stationär ist, ändert sich die Masse der Flüssigkeit im Volumen nicht, und daher erhalten wir aus dem Gesetz der Massenerhaltung . Dann erhalten wir für die durch äußeren Druck geleistete Arbeit:

.

Diese Arbeit muss gleich dem Inkrement der Gesamtenergie des zugeordneten Teils der Flüssigkeit sein. Aufgrund der Stationarität der Strömung hat sich die Energie der Flüssigkeit im Volumen nicht verändert. Daher ist das Inkrement der Gesamtenergie gleich der Differenz zwischen den Energien der flüssigen Masse in Volumina und . Bezeichnen Sie dann mit der Energie pro Masseneinheit der Flüssigkeit . Setzen Sie diesen Wert mit Arbeit gleich SONDERN und durch Reduzieren erhalten wir:

.

Daraus folgt, dass entlang derselben Stromlinie in einer stationären Strömung einer idealen Flüssigkeit der Wert konstant bleibt:

.

Dieses Verhältnis heißt Bernoulli-Gleichung. Es wurde erstmals 1738 veröffentlicht.

Daniel Bernoulli, 1700-1782

Daniel Bernoulli ist einer der größten hervorragende Physiker und Mathematiker seiner Zeit. Von 1725 bis 1733 arbeitete er in St. Petersburg. Betreute die Arbeit der Abteilung für Reine Mathematik. Mitglied der Berliner, Pariser, St. Petersburger und anderer Akademien der Wissenschaften, Mitglied der Londoner königliche Gesellschaft. Daniel Bernoulli ist einer der Vertreter dieser erblichen Dynastie wissenschaftlicher Genies aus der Schweiz. Daniils Vater, Johann Bernoulli, war ein bekannter Professor für Mathematik an der Universität Groningen.

Daniels Buch „Hydrodynamik“ (Hydrodynamica) wurde 1738 veröffentlicht, fast zeitgleich mit Johann Bernoullis Buch „Hydraulik“ (Hydraulica).

Energie ist die Summe der kinetischen Energie einer Masseneinheit einer Flüssigkeit und ihrer potenzielle Energie gh im Bereich der Schwerkraft. In diesem Fall hat die Bernoulli-Gleichung die Form:

Lassen Sie die Flüssigkeit durch ein horizontales Rohr fließen. Dann nimmt die Bernoulli-Gleichung die Form an:

(6.2)

Aus Ausdruck (6.2) folgt, dass in den Bereichen der Röhre mit mehr Geschwindigkeit Flüssigkeitsströmungsdruck ist geringer. Gemäß der Strahlkontinuitätsgleichung (6.1) ist der Flüssigkeitsdurchfluss an Stellen mit kleinerem Rohrabschnitt größer, daher nimmt der Druck ab, wenn er sich zu engeren Abschnitten bewegt. Der resultierende Druckabfall bewirkt, dass sich das Fluid beschleunigt entlang des Rohrs bewegt.

Beispiel

TORRICELLI-FORMEL

Wenden wir die Bernoulli-Gleichung auf den Ausfluss einer Flüssigkeit aus einem kleinen Loch in einem großen Gefäß an. Wählen Sie die aktuelle Röhre aus (Abb. 6.3). In jedem Abschnitt ist die Geschwindigkeit und Höhe etwas höher Grundlinie als konstant angesehen werden kann. Der Druck in beiden Abschnitten ist gleich Atmosphärendruck. Die Bewegungsgeschwindigkeit der offenen Oberfläche ist viel geringer als die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsausflusses aus dem Loch, also können wir es sagen Null. Dann

.

Wo also . Diese Formel wird als Torricelli-Formel bezeichnet und bestimmt die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsausflusses aus einem Loch. Es wurde für eine ideale Flüssigkeit erhalten.

Aus Torricellis Formel folgt, dass die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsausflusses aus einem Loch für alle Flüssigkeiten gleich ist und nur von der Höhe abhängt, aus der die Flüssigkeit abgestiegen ist. Sie stellt sich heraus gleiche Geschwindigkeit freier Fall Körper aus gleicher Höhe. Bei echten Flüssigkeiten ist die Geschwindigkeit geringer, sie hängt von der Form, Größe des Lochs und von der Viskosität der Flüssigkeit ab