Ускорение - это быстрота изменения скорости . В системе СИ ускорение измеряется в метрах за секунду в квадрате (м/с 2), то есть показывает, на сколько изменяется скорость тела за одну секунду.

Если, например, ускорение тела равно 10 м/с 2 , то это значит, что за каждую секунду скорость тела увеличивается на 10 м/с. Так, если до начала ускорения тело двигалось с постоянной скоростью 100 м/с, то после первой секунды движения с ускорением его скорость составит 110 м/с, после второй - 120 м/с и т. д. В данном случае скорость тела постепенно увеличивалась.

Но скорость тела может постепенно и уменьшаться. Обычно так происходит при торможении. Если то же тело, двигавшееся с постоянной скоростью 100 м/с, начинает уменьшать свою скорость на 10 м/с в каждую секунду, то через две секунды его скорость будет равна 80 м/с. А через 10 с тело вообще остановится.

Во втором случае (при торможении) мы можем сказать, что ускорение является отрицательной величиной. Действительно, чтобы найти текущую скорость после начала торможения, надо из начальной скорости вычесть ускорение умноженное на время. Например, какова скорость тела через 6 секунд после торможения? 100 м/с - 10 м/с 2 · 6 с = 40 м/с.

Поскольку ускорение может принимать как положительные, так и отрицательные значения, то это значит, что ускорение является векторной величиной.

Из рассмотренных примеров мы могли бы сказать, что при разгоне (увеличении скорости) ускорение положительная величина, а при торможении - отрицательная. Однако не так все просто, когда мы имеем дело с системой координат. Здесь скорость тоже оказывается величиной векторной, способной быть как положительной, так и отрицательной. Поэтому то, куда направлено ускорение, зависит от направления скорости, а не от того, уменьшается скорость или увеличивается под действием ускорения.

Если скорость тела направлена в положительном направлении оси координат (скажем, X), то тело за каждую секунду времени увеличивает свою координату. Так, если в момент начала измерения тело находилось в точке с координатой 25 м и начало двигаться с постоянной скоростью 5 м/с в положительном направлении оси X, то через одну секунду тело будет находиться в координате 30 м, через 2 с - 35 м. Вообще, чтобы найти координату тела в определенный момент времени, надо к начальной координате прибавить скорость умноженную на количество прошедшего времени. Например, 25 м + 5 м/с · 7 с = 60 м. В данном случае тело через 7 секунд окажется в точке с координатой 60. Здесь скорость - положительная величина, так как координата увеличивается.

Скорость отрицательна, когда ее вектор направлен в отрицательном направлении оси координат. Пусть тело из предыдущего примера начало двигаться не в положительном, а в отрицательном направлении оси X с постоянной скоростью. Через 1 с тело будет в точке с координатой 20 м, через 2 с - 15 м и т. д. Теперь чтобы найти координату, надо из начальной вычесть скорость умноженную на время. Например, где будет тело через 8 с? 25 м - 5 м/с · 8 с = -15 м. То есть тело окажется в точке с координатой x, равной -15. В формуле перед скоростью мы ставим знак минус (-5 м/с), значит скорость – отрицательная величина.

Назовем первый случай (когда тело двигается в положительном направлении оси X) A, а второй случай B. Рассмотрим, куда будет направлено ускорение при торможении и разгоне в обоих случаях.

В случае A при разгоне ускорение будет направлено в ту же сторону, что и скорость. Поскольку скорость положительна, то и ускорение будет положительно.

В случае A при торможении ускорение направлено в противоположном скорости направлении. Так как скорость положительная величина, то ускорение - будет отрицательной, то есть вектор ускорения будет направлен в отрицательном направлении оси X.

В случае B при разгоне направление ускорения будет совпадать с направлением скорости, а значит ускорение будет направлено в отрицательном направлении оси X (ведь туда же направлена и скорость). Обратите внимание, несмотря на то, что ускорение отрицательно, оно все же увеличивает модуль скорости.

В случае B при торможении ускорение направлено противоположно скорости. Так как скорость имеет отрицательное направление, то ускорение окажется положительной величиной. Но при этом будет уменьшать модуль скорости. Например, начальная скорость была -20 м/с, ускорение равно 2 м/с 2 . Скорость тела через 3 с, окажется равной -20 м/с + 2 м/с 2 · 3 с = -14 м/с.

Таким образом, ответ на вопрос «куда направлено ускорение» зависит от того, по отношению к чему оно рассматривается. По отношению к скорости ускорение может быть направлено в ту же сторону, что и скорость (при разгоне), или в противоположную сторону (при торможении).

В системе координат положительное и отрицательное ускорение само по себе ничего не говорит от том, тормозило ли тело (уменьшало свою скорость) или разгонялось (увеличивало скорость). Надо смотреть на то, куда направлена скорость.

Ускорением тела называют отношение изменения скорости тела ко времени, за которое это изменение произошло.

Ускорение характеризует быстроту изменения скорости.

Ускорение - векторная величина. Оно показывает, как изменяется мгновенная скорость тела за единицу времени.

Зная начальную скорость тела и его ускорение, из формулы (1) можно найти скорость в любой момент времени:

Для этого уравнение нужно записать в проекциях на выбранную ось:

V x =V 0x + a x t

Положительное и отрицательное ускорение

Ускорение, как и скорость, обладает знаком.

Если автомобиль разгоняется, его скорость возрастает, а ускорение имеет положительный знак.

При торможении авто, его скорость уменьшается - ускорение имеет отрицательный знак.

Естественно, при равномерном движении ускорение равно нулю.

Но, будьте внимательны! Отрицательное ускорение не всегда означает замедление, а положительное - ускорение! Помните, что скорость (как и перемещение) - это векторная величина. Обратимся к нашему бильярдному шару.

Пусть шар движется с замедлением, но имеет отрицательное перемещение!

Скорость шара уменьшается ("минус") и скорость имеет отрицательную величину по направлению ("минус"). В итоге, два "минуса" дадут "плюс" - положительное значение ускорения.

Запомните!

Среднее и мгновенное ускорение

По аналогии со скоростью ускорение может быть средним и мгновенным .

Среднее ускорение вычисляется как разность конечной и начальной скоростей, которая делится на разность конечного и начального времени:

A = (V 1 - V 0)/(t 1 - t 0)

Среднее ускорение отличается от фактического (мгновенного) ускорения в данный момент времени. Например, при резком нажатии педали тормоза автомобиль получает большое ускорение в первый момент времени. Если же водитель затем отпустит педаль тормоза, то ускорение уменьшится.

Равномерное и неравномерное ускорение

Описанный выше случай с торможением характеризует неравномерное ускорение - наиболее часто встречающееся в нашей повседневной жизни.

Однако, существует и равномерное ускорение , самый яркий пример которого - это ускорение свободного падения , которое равно 9,8 м/с 2 , направлено к центру Земли и всегда постоянно.

Тестовые вопросы по физической химии (химическая кинетика и электрохимия)

1. При каких условиях константа скорости химической реакции А + В àС равна скорости реакции, т. е. W = К?

1) в элементарных химических реакциях;

2) когда реагирующие компоненты находятся в газовой фазе;

3) когда концентрации реагирующих компонентов равны единице,

т. е. СА = СВ = 1;

4) когда реакция идет на границе раздела фаз;

5) константа скорости не может быть равна скорости реакции.

2. Каков физический смысл константы скорости химической реакции?

1) константа скорости равна скорости химической реакции, если она протекает в газовой фазе;

2) константа скорости равна скорости химической реакции, если концентрации реагирующих веществ равны единице;

3) константа скорости равна скорости реакции, если она протекает на границе раздела фаз;

4) константа скорости вообще не имеет физического смысла;

5) константа скорости равна скорости для элементарных, одностадийных химических реакций.

3. Что такое константа скорости химической реакции?

1) константа скорости - это удельная скорость для элементарной, одностадийной реакции;

2) константа скорости - это скорость химической реакции, протекающей в газовой фазе;

3) константа скорости - это скорость химической реакции, протекающей на границе раздела фаз;

4) константа скорости - это скорость химической реакции, когда концентрации реагирующих веществ равны единице, т. е. СА = СВ = 1 и W = К для реакции А + В à С;

5) константа скорости - это скорость химической реакции, когда реагирующие вещества ведут себя как молекулы идеальных газов.

4. Какова размерность константы скорости химической реакции нулевого порядка?

1) конц.-1время-1; 2) конц.1 время-1; 3) время-1;

5) конц.2время-1; 5) конц.-2время-1 .

5. Какова размерность константы скорости химической реакции первого порядка?

1) конц.-1время-1; 2) конц.1время-1; 3)время-1; 4) конц.-2время-1; 5) конц.-1.

6. Какова размерность константы скорости химической реакции второго порядка?

1) конц.-1время-1; 2) конц.1время-1; 3) время-1; 4) конц.-2время-1;

5) конц.-1время-2.

7. Что такое скорость химической реакции?

1) скорость химической реакции определяется числом молекул, реагирующих в единицу времени и единице объема;

2) скорость химической реакции определяется изменением концентрации реагирующих веществ в элементарном химическом акте;

3) скорость химической реакции определяется убылью концентрации исходного вещества в элементарном химическом акте;

4) скорость химической реакции определяется изменением концентрации исходных и полученных в результате реакции веществ;

5) скорость химической реакции определяется произведением концентрации реагирующих веществ.

8. Может ли скорость реакции быть отрицательной величиной? Что означает запись W = - dCA/dt для реакции А à В.

1) да, скорость может быть отрицательной величиной, и потому запись

W = - dCA/dt верна;

2) скорость не может быть отрицательной величиной и поэтому запись

W = - dCA/dt не верна;

3) скорость не может быть отрицательной величиной, а запись указывает на то, что скорость реакции определяется по убыли концентрации исходного вещества;

4) да, скорость может быть отрицательной величиной, а запись означает, что реакция происходит на поверхности катализатора;

5) да, скорость может быть отрицательной величиной, а запись означает, что реакция идет на границе раздела фаз.

9. Как читается основной постулат химической кинетики?

1) скорость химической реакции зависит только от концентрации конечных продуктов реакции;

2) скорость реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в некоторые целочисленные или дробные степени;

3) скорость реакции прямопропорциональна произведению концентрации всех реагирующих веществ;

4) скорость реакции - это константа скорости, когда реагирующие компоненты ведут себя как молекулы идеальных газов;

5) скорость реакции - это изменение концентрации реагирующих веществ на единицу поверхности.

10. Может ли порядок реакции быть нулевым, дробным, отрицательным?

1) порядок реакции не может быть дробным и отрицательным, а нулевым может быть;

2) порядок реакции может быть только положительным числом;

3) да, порядок реакции может принимать любые значения;

4) порядок реакции может принимать отрицательные и положительные только целочисленные значения;

5) порядок реакции не может быть равен нулю, а все остальные значения могут быть.

11 . Что называется порядком реакции по веществу и общим кинетическим порядком реакции?

1) порядок реакции по веществу - это его стехиометрический коэффициент в уравнении, а общий кинетический порядок - это их сумма;

2) порядком реакции по данному веществу называют показатель степени при концентрации, входящей в уравнении типа W = , а общий порядок (n) равен их сумме, т. е. n = n1 + n2;

3) порядок реакции по данному веществу - это число молекул, участвующих в элементарном акте, а их сумма - это общий порядок реакции;

4) порядок реакции по данному веществу – это показатель степени, в которую возведена концентрация в основном кинетическом уравнении, а их произведение - это общий порядок химической реакции;

5) порядок реакции по веществу - его стехиометрический коэффициент в уравнении химической реакции, а их произведение - общий порядок.

12. Что такое молекулярность реакции?

1) молекулярность - это число молекул, участвующих в элементарном акте химической реакции;

2) молекулярность - это сумма стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции;

3) молекулярность - это изменение числа реагирующих молекул в единицу времени, в единице объема;

4) молекулярность - это изменение числа реагирующих молекул в элементарном химическом акте;

5) молекулярность - это формальная величина, которая находится экспериментальным путем.

13. Скорость химической реакции А + В à С равна 0,12 моль/л × с-1, а концентрация А и В соответственно равны: А = 0,3 моль/л и В = 0,2 моль/л. Чему равна константа скорости этой реакции?

1) 5 . 10-2 (моль/л)-1 с-1; 2) 2,0 (моль/л)-1 с-1; 3) 4,2 (моль/л)-1 с-1;

4) 1,6 . 10-3 (моль/л)-1 с-1; 5) 3,1 (моль/л)-1 с-1 .

14. Скорость химической реакции 2А à В равна 0,48 (моль/л) × с-1, а концентрация А равна 0,4 моль/л. Чему равна константа скорости этой реакции?

1) 3 (моль/л)-1 с-1; 2) 1,6 (моль/л)-1 с-1; 3) 4,8 (моль/л)-1 с-1;

4) 2,4 (моль/л)-1 с-1; 5) 4 (моль/л)-1 с-1 .

15.Что такое механизм химической реакции?

1) полное теоретическое описание процесса образования промежуточных веществ;

2) совокупность стадий, из которых складывается химическая реакция;

3) механизм - это предполагаемый выход продуктов реакции;

4) механизм - это подробное описание процессов с учетом радикалов;

5) механизм - это способ проведения химического процесса.

16. Скорость химической реакции А + В à С равна 0,25 (моль/л) × с-1 , а концентрация А и В равны 0,5 моль/л. Чему равна константа скорости химической реакции?

1) 0,15 (моль/л)-1 с-1; 2) 0,75 (моль/л)-1 с-1; 3) 0,45 (моль/л)-1 с-1;

4) 1,0 (моль/л)-1 с-1; 5) 2,5 (моль/л)-1 с-1.

17. Может ли скорость химической реакции не зависеть от концентрации реагирующих веществ? Каков порядок такой реакции?

1) скорость реакции всегда зависит от концентрации, при этом порядок реакции может принимать любые значения;

2) да, может, если химическая реакция идет в газовой фазе, а порядок реакции может быть только положительным числом;

3) да, может, если реакция идет в присутствии катализатора, а порядок реакции может принимать отрицательные и положительные значения;

4) да, может, если реакция идет как реакция нулевого порядка;

5) да, может, если концентрация одного из реагентов превышает другую, а порядок реакции при этом может быть дробным, отрицательным и положительным.

18. Как изменяется скорость реакции нулевого порядка от концентрации исходного вещества?

1) скорость реакции нулевого порядка не зависит от концентрации;

2) скорость такой реакции растет с увеличением концентрации;

3) скорость такой реакции сначала растет, а потом падает с увеличением концентрации;

4) скорость такой реакции монотонно падает во времени, с увеличением концентрации;

5) скорость такой реакции сначала падает, а затем увеличивается при уменьшении концентрации.

19. Как связана константа скорости реакции первого порядка с периодом полураспада?

1) https://pandia.ru/text/80/294/images/image003_2.png" width="59" height="45">.png" width="65" height="45">; 5)shortcodes">

Роберт Бойд (Robert Boyd), профессор оптики из университета Рочестера (University of Rochester), сумел придать пучку света «отрицательную» скорость, при которой пик импульса двигался не от источника, а к нему.

Нужно вспомнить, что особым образом изменяя среду, через которую проходит свет, применяя пары рубидия, различные кристаллы, скрещивающиеся лучи лазеров и тому подобное, физики давно научились управлять скоростью светового импульса — замедляя его в десятки тысяч раз, а то и вовсе "замораживая" .

Важно понимать, что во всех этих случаях речь идёт о групповой скорости, которая характеризует быстроту распространения горба импульса света. Из-за дисперсии (рассеивания) в определённой среде горб этот может двигаться на несколько порядков медленнее, чем каждый фотон в отдельности, а также, в каких-то условиях, и наоборот — быстрее скорости света в вакууме.

О нарушении законов природы тут речи нет, так как самые первые фотоны в импульсе добегают до противоположного конца своей «испытательной дорожки» не быстрее тех самых 300 тысяч километров в секунду, и информация «быстрее света» не передаётся. В случае же остановки света речь идёт о поглощении импульса специально подготовленной средой с последующим повторным излучением его, с сохранением всех параметров исходного пучка. Так сказать «до последнего фотона».

После этого краткого экскурса становится понятным и то, что удалось проделать Бойду. Он сумел изготовить среду, в которой скорость горба импульса была отрицательной — то есть, направленной к источнику излучения.

Для этого «чуда» Бойд применил оптоволокно, легированное эрбием. Импульс, выходящий из лазера, он делил на две части. Один луч направлялся в то самое экспериментальное волокно, а второй посылался к концу установки без помех. Второй луч служил в роли репера, для сравнения.

С первым же лучом происходила удивительная вещь. Ещё до того, как пик его импульса входил в эрбиевое волокно, на дальнем конце этого волокна уже появлялся пик излучения, опережая даже реперный луч, бегущий свободно. Если говорить о групповой скорости, получалось, что первый луч превышал скорость света, и даже «опережал время» — так как выходил из конца волокна до того, как попадал в его начало.

Выяснилось, что само волокно, фактически, генерирует горб на дальнем своём срезе, когда первые порции фотонов из ведущего фронта лазерного импульса, предшествующего пику, достигают его.

Но самое любопытное заключалось в другом открытии — одновременно с посылкой горба импульса вперёд, дальний конец волокна создавал второй горб-близнец, который распространялся в обратном направлении, добегая до начала опытного волокна как раз к моменту, когда исходный оригинальный импульс только лишь входил в него.

Пятеро физиков из Шанхайского университета Цзяо Тун (Китай) провели эксперимент, в котором групповая скорость светового импульса, передаваемого по оптоволокну, становилась отрицательной.

Чтобы понять суть опыта, необходимо вспомнить, что распространение излучения в среде можно охарактеризовать сразу несколькими величинами. В самом простом случае монохроматического пучка света используется, к примеру, понятие фазовой скорости V ф - скорости перемещения определённой фазы волны в заданном направлении. Если показатель преломления среды, зависящий от частоты, равен n(ν), то V ф = с/n(ν), где с - скорость света в вакууме.

Задача усложняется, когда мы рассматриваем прохождение импульса, содержащего несколько разных частотных компонентов. Импульс можно представить себе как результат интерференции этих компонентов, причём в его пике они будут согласованы по фазе, а в «хвостах» будет наблюдаться деструктивная интерференция (см. рис. ниже). Среда с зависящим от частоты показателем преломления изменяет характер интерференции, заставляя волны каждой отдельной частоты распространяться со своей фазовой скоростью; если зависимость n от ν линейна, то результатом изменений будет временнóе смещение пика, тогда как форма импульса останется прежней. Для описания такого движения используют групповую скорость V г = с/(n(ν) + ν dn(ν)/dν) = с/n г, где n г - групповой показатель преломления.

Рис. 1. Световой импульс (иллюстрация из журнала Photonics Spectra).

При сильной нормальной дисперсии (dn(ν)/dν > 0) групповая скорость может на несколько порядков уступать скорости света в вакууме, а в случае аномальной дисперсии (dn(ν)/dν < 0) - оказаться больше с. Более того, достаточно сильная аномальная дисперсия (|ν dn(ν)/dν| > n) даёт отрицательные значения V г, что приводит к очень интересным эффектам: в материале с n г < 0 импульс распространяется в обратном направлении, и пик переданного импульса выходит из среды раньше, чем пик падающего импульса в неё входит. Хотя такая отрицательная временнáя задержка кажется противоестественной, она никоим образом не противоречит принципу причинности .

Рис. 2. Распространение светового импульса в материале с отрицательным групповым показателем преломления, обозначенном красным (иллюстрация из журнала Photonics Spectra).

Приведённые выше равенства показывают, что отрицательная групповая скорость достигается при достаточно быстром уменьшении показателя преломления с ростом частоты. Известно, что подобная зависимость обнаруживается вблизи спектральных линий, в области сильного поглощения света веществом.

Китайские учёные построили свой эксперимент по уже известной схеме, в основе которой лежит нелинейный процесс вынужденного бриллюэновского рассеяния (ВБР) . Этот эффект проявляется как генерация стоксовой волны, распространяющейся в противоположном (по отношению к падающей волне, часто называемой накачкой ) направлении.

Суть ВБР состоит в следующем: в результате электрострикции (деформации диэлектриков в электрическом поле) накачка создаёт акустическую волну, которая модулирует показатель преломления. Созданная периодическая решётка показателя преломления движется со звуковой скоростью и отражает - рассеивает вследствие брэгговской дифракции - часть падающей волны, причём частота рассеянного излучения испытывает доплеровский сдвиг в длинноволновую область. Именно поэтому стоксово излучение имеет меньшую, чем у накачки, частоту, и эта разность определяется частотой акустической волны.

Если стоксово излучение «запускать» в направлении, противоположном распространению падающей волны, оно будет усиливаться в процессе ВБР. В то же время излучение накачки будет испытывать поглощение, что, как мы уже говорили, необходимо для демонстрации отрицательной групповой скорости. Используя 10-метровый закольцованный отрезок одномодового оптоволокна, авторы выполнили условия наблюдения отрицательной V г и получили групповую скорость, доходившую до –0,15 с. Групповой показатель преломления при этом оказался равен –6,636.

Препринт статьи можно скачать отсюда .