中学物理规律宏观微观的统一

更新时间:2024-01-14 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:3159 浏览:7562

在物理学中,有很多宏观规律可用微观的方法分析,通过建立模型,并进行数学分析,并相互佐证,通过宏观微观的相互的自洽,不仅在结构上完美和谐,架起一座宏观微观相互联系的纽带,更有利于规律的进一步了解,同时为研究学习提供了一种新的思维方式,下面试以一些经典的规律加以说明.

例1.微观解释理想气体的状态方程

设立方体空间存在理想气体,单气体分子质量为m0,单位体积内分子个数为n,分子平均速率为v,考虑各向同性,则朝某一面方向运动的概率为1/6,我们知道容器内分子的压强是由分子碰撞容器壁造成的,每个分子与容器壁发生的碰撞是弹性的,这样在Δt时间内碰撞某单位面积S的分子个数为nSvΔt/6,每个分子的动量变化大小为2m0v,且设分子总质量为m,容器体积为V,分子的摩尔质量为μ,由动量定理:

FΔt等于nSv×2m0v等于SΔt 等于 nSΔtm0v2 等于 nSΔtKT,

Ek等于m0v2等于KT P等于2等于 nKT,

注意到此时体积为定值


显然nV等于NA 我们有:P等于 ··KT,令NA K 等于R

则PV等于RT (克拉伯龙方程)

由此我们就从微观上解释了一定质量的理想气体状态方程.此内问题一般涉及到用动量定理,在一极短时间Δt内的流体问题.

例2.帕努利方程的微观解释

方程P+ρv2等于C(常量)

先以机械能守恒宏观上解释:建立一个模型,有一容器内水高度为h1,一小孔横截面积为S,高度为h2,求此时小孔水速.解:设下降的水的速度为v1,从小孔流出的水的速度为v2,因为下降的水的的质量等于流出的水的质量.

由机械能守恒有:mg(h1-h2)+mv12 等于mv22 ,密度ρ不变,改写就有P+ρv2等于C(常量),现用极短时间Δt内,容器内水位几乎不变化,相当于容器上面的水在小孔处流出.

对于小孔由动量定理有ρg(h1-h2)sΔt等于 psv2Δtv2-psv1Δtv1(注意流量取平均速度)

化简得:P+ρv2等于C(常量)

此处宏观与微观自洽,让我们看到分析问题时分别从宏观与微观考虑可以加深我们的理解,为我们分析问题提供了不同的思路,虽然殊途同归,但领悟的效果与对思路的启示对我们以后的学习与研究有很大的启迪.

例3.带电量为Q的电容器电容C的电场能

考虑电子一个个的从一个极板移至另一个极板总共有n等于而U等于,所以:Δwi等于e ,从而W等于∑Δwi等于 (1+2+等+n),所以E等于W等于 等于.

还有很多这样的例子,在此抛砖引玉,这样可以避免学生不求甚解,在记忆中学习;同时对有志于物理学的学生提供一种研究学习的方法.