1273
.pdfМ.В. Пластинина, Н.А. Иванов, Э.А. Майер, В.В. Акимов
СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ
ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
0
Федеральное агентство по образованию РФ Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)
М.В. Пластинина, Н.А. Иванов, Э.А. Майер, В.В. Акимов
СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ
ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Учебное пособие
Омск Издательство СибАДИ
2006
1
УДК 53:621.3 ББК 22.31
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В.И. Суриков (ОмГТУ), д-р физ.-мат. наук, профессор В.В. Пластинин (ОмГИС)
Работа одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия по физике для самостоятельной работы студентов, изучающих курс физики в течение трех семестров.
СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ: Учебное пособие / М.В.Пластинина, Н.А.Иванов, Э.А. Майер, В.В. Акимов. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. – 119 с.
Предлагаемое учебное пособие предназначено для использования в различных формах самостоятельной работы студентов при изучении курса физики.
Справочное пособие содержит тематический справочник формул по 8 разделам лекционного курса физики в соответствии с рабочей программой курса в объеме 300 часов, календарные планы практических и лабораторных занятий, примеры решения задач и методические рекомендации к ним, таблицы физических величин.
Ил. 12. Библиогр.: 12 назв.
ISBN 5 93204 313 Х |
М.В. Пластинина, Н.А. Иванов, |
|
Э.А. Майер, В.В. Акимов, 2006 |
2
Введение
Целью данного учебного пособия является активизация СРС и повышение эффективности практических занятий.
Весь курс физики разбит на 8 разделов. В каждом разделе приведены основные теоретические вопросы, включаемые в контрольные работы (коллоквиумы), темы и вопросы СРС, экзаменационные вопросы. Даны календарные планы лекций, где указаны темы лекций и освещаемые вопросы.
В настоящее пособие включены задачи, которые в течение многих лет предлагались студентам факультетов АДМ и ТТМ на практических занятиях. Большой набор вопросов и задач в каждом разделе позволяет варьировать задания в зависимости от уровня подготовки и способностей студента. Приведены рекомендации по решению задач и примеры их решений в каждом разделе.
Надеемся, что данное учебное пособие существенно облегчит работу студентов по физике, поможет организовать СРС и улучшить качество обучения.
1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
1.1. Введение
Общая структура и задачи курса. Роль изучения физики в становлении инженера. Физика и техника. Методы физических исследований: опыт, гипотеза, теория, эксперимент. Математика и физика. Измерение физических величин и погрешности измерений. Приближенные вычисления. Международная система единиц.
1.2. Физические основы механики
Физические модели в механике: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело. Пространство и время. Понятие состояния в классической механике. Уравнение движения материальной точки. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Тангенциальное и нормальное ускорения.
3
Угловая скорость и угловое ускорение при движении материальной точки на окружности. Современная трактовка законов Ньютона. Силы в механике. Закон сохранения импульса. Теорема об изменении кинетической энергии. Консервативные и неконсервативные силы. Работа консервативной силы и потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии.
Динамика вращательного движения твердого тела: момент инерции, момент силы, момент импульса тела относительно неподвижной оси вращения; уравнение динамики вращательного движения; энергия вращательного движения; работа при вращательном движении; закон сохранения момента импульса. Столкновение тел.
Элементы релятивистской механики: принцип относительности; закон сложения скоростей; масса, импульс, энергия; закон сохранения массы и энергии в теории относительности.
1.3. Молекулярная физика и термодинамика
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Основное уравнение МКТ идеального газа. Скорости теплового движения молекул в газе. Распределение молекул по скоростям. Среднее число столкновений и длина свободного пробега молекул. Кинетические явления в газах: диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Макроскопическое состояние. Уравнение состояния. Статистический смысл температуры. Внутренняя энергия как функция состояния. Распределение энергии по степеням свободы молекул. Различие теплоемкостей газов с точки зрения МКТ. Применение первого закона термодинамики к расчетам теплоемкостей газов в изопараметрических процессах. Адиабатический (адиабатный) процесс. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы. Второй закон термодинамики. Термодинамическое определение энтропии. Статистический смысл энтропии. Цикл Карно. Максимальный КПД тепловой машины. Холодильные машины и тепловой насос. Третий закон термодинамики. Реальные газы. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Уравнение состояния реального газа. Внутренняя энергия реального газа. Агрегатное состояние фазы вещества. Фазовые переходы. Свойства жидкостей: диффузия и внутреннее трение; динамическая и ки-
4
нематическая вязкости жидкостей; поверхностное натяжение. Элементы механики жидкостей: давление в жидкости, уравнение Бернулли.
1.4. Электричество
Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие зарядов в вакууме и веществе; закон Кулона. Напряженность поля и поток вектора напряженности. Теорема Гаусса. Потенциал и работа электрического поля. Связь потенциала с напряженностью. Принцип суперпозиции электрических полей. Поле диполя. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Вектор электрического смещения. Поверхностная плотность заряда. Электроемкость, конденсаторы. Энергия и плотность энергии электрического поля. Постоянный электрический ток. Условия существования тока, закон Ома и закон Джоуля–Ленца в диференциальной форме. ЭДС источника тока. Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Правило Кирхгофа для разветвленных электрических цепей.
1.5. Электромагнетизм
Магнитное поле. Сила Лоренца и сила Ампера. Момент силы, действующей на рамку с током в магнитном поле. Вектор магнитной индукции. Закон Био–Савара–Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей. Циркуляция вектора магнитной индукции, закон полного тока. Магнитный поток. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея–Максвелла, правило Ленца. Магнитные свойства вещества; магнитные моменты электронов и атомов. Намагниченность, магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость. Напряженность магнитного поля. Свойства и применение ферромагнетиков. Индуктивность, самоиндукция. Энергия и плотность энергии магнитного поля. Уравнения Максвелла в интегральной форме, ток смещения. Электромагнитные волны.
5
1.6. Физика колебаний
Единый подход к рассмотрению колебаний различной природы. Амплитуда, угловая частота, фаза гармонических колебаний, изображение гармонических колебаний с помощью вращающегося вектора амплитуды. Сложение колебаний, векторные диаграммы. Фигуры Лиссажу. Гармонический анализ сложного колебания, физический смысл спектрального разложения. Гармонический осциллятор: груз на пружине, физический маятник, математический маятник, колебательный контур; период колебаний; энергетические соотношения. Свободные колебания при наличии сопротивления; коэффициент затухания, логарифмический декремент. Ангармонический осциллятор. Физические системы, содержащие нелинейные элементы. Автоколебания. Колебания под действием внешней синусоидальной силы. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс. Анализ резонансных кривых; добротность колебательной системы.
1.7. Физика волновых процессов
Бегущая волна. Фазовая скорость и длина волны. Одномерное волновое уравнение. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах. Энергия упругих волн, вектор Умова. Поведение волн на границе двух сред. Стоячая волна. Собственные частоты (нормальные моды) при распределении колебаний в трубах и стержнях. Основы акустики. Эффект Доплера. Плоские электромагнитные волны, уравнение волны. Энергетические соотношения для электромагнитной волны, вектор Пойнтинга. Интерференция волн. Способы получения интерференционных картин. Полосы равной толщины и равного наклона. Интерферометры. Дифракция волн. Принцип Гюйгенса–Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейность распределения света. Дифракция на круглом отверстии, на диске и на одной щели. Дифракция на решетке, разрешающая способность решетки. Поляризация волн. Поляризация света при отражении и поглощении. Двойное лучепреломление. Геометрическая оптика. Объяснение отражения и преломления на основе волновой теории. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. Фотометрические величины и их единицы: светимость, яркость, световой поток, сила света, освещенность.
6
1.8. Квантовая и атомная физика
Равновесное тепловое излучение: основные понятия и законы; распределение энергии по спектру теплового излучения; оптическая пирометрия. Гипотеза М.Планка; энергия, масса, импульс квантов электромагнитного излучения. Фотоэффект и эффект Комптона. Опыт Франка–Герца. Линейчатые спектры излучения и поглощения. Теория Н.Бора и объяснение спектров водородоподобных атомов; недостатки теории Бора. Корпускулярноволновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Соотношение неопределенностей, физический смысл волновой функции. Уравнения Шрёдингера. Частица в потенциальной яме. Квантовые системы и квантовые состояния. Квантовые числа. Распределение частиц по состояниям в квантовых системах. Энергетические спектры атомов и молекул. Понятие о нелинейной оптике. Спектры тормозного и характеристического рентгеновского излучения и их объяснение на основе квантовой теории.
1.9. Физика твердого тела и атомного ядра
Элементы зонной теории твердого тела. Строение металлов, полупроводников и диэлектриков по зонной теории. Собственная и примесная проводимости полупроводников. Контактные и термоэлектрические явления. Вынужденное излучение атомов. Квантовый оптический генератор. Свойства лазерного излучения. Ядро атома как квантовая система. Элементарные частицы, их взаимодействие и взаимопревращаемость; аннигиляция и рождение пар. Свойства ядерных сил. Энергия связи ядра. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Закономерности альфа- и бета-распадов. Применение законов сохранения к процессам ядерных превращений. Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Дозиметрические величины и их единицы. Физическая картина мира от атомов до Вселенной. Проблемы современной физики.
7
2.ТЕМАТИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК ФОРМУЛ
2.1.Физические основы механики
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Единицы |
|
|
|
|
|
|
|
|
Формулы |
|
|
|
Обозначения |
|
измере- |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
3 |
|||
S f t |
|
|
|
|
|
|
|
Уравнение |
неравномерного |
поступа- |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельного движения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S – путь |
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t – время |
|
|
с |
|
dS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– скорость |
|
|
м/с |
|||||||
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
a |
|
d |
|
d2S |
|
|
а – тангенциальное ускорение (каса- |
м/с2 |
||||||||||||||||||||
|
|
dt |
|
dt2 |
|
|
|
|
|
тельное) |
|
|
|
|||||||||||||||
an |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аn – центростремительное ускорение |
м/с2 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(нормальное) |
|
|
|||||||||
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R – радиус кривизны траектории |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а – полное ускорение |
|
м/с2 |
|
a |
|
|
a2 |
an2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
f t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уравнение |
неравномерного |
враща- |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельного движения |
|
рад |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– угол поворота |
|
||
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– угловая скорость |
|
рад/с |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
d |
|
d2 |
|
|
|
|
|
|
– угловое ускорение |
|
рад/с2 |
||||||||||||||||
|
|
|
dt2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
v |
N |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
v – частота вращения |
|
Гц |
||||||||||||||
|
|
|
|
t |
T |
|
|
|
|
|
|
|
N – число оборотов за время t |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T – период вращения (время одного |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полного оборота) |
|
с |
|
S R; R; |
Формулы связи: |
|
м |
|||||||||||||||||||||||||
a R; a |
|
|
|
|
2 |
; |
R – радиус вращения |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
= 3,14 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
R |
|
|
|
|
2 v 2 ;
T
2 N
8
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|||
S t |
|
|
|
|
|
Уравнение |
равномерного |
поступа- |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельного движения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
t |
|
|
|
|
|
Уравнение |
равномерного |
враща- |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельного движения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S 0 t |
a t |
2 |
|
; |
|
|
Уравнение |
равнопеременного |
по- |
|
||||||||
|
|
|
|
ступательного движения |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м/с |
|||
0 |
a t |
|
|
|
|
|
0 – начальная скорость |
|
|
|||||||||
0 |
t |
t |
2 |
; |
|
Уравнение |
равнопеременного |
вра- |
|
|||||||||
|
|
|
щательного движения |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
0 |
|
t |
|
|
|
|
|
0 – начальная угловая скорость |
рад/с |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
Основное уравнение динамики по- |
|
|||||
F m a m |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
ступательного движения |
(II |
закон |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ньютона) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F – сила |
|
|
|
Н |
|
|
dP |
|
|
|
|
m – масса тела |
|
|
кг |
||||||||
F |
|
|
|
; P m |
|
a – ускорение |
|
|
м/c2 |
|||||||||
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P – импульс тела |
|
|
(кг м)/с |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– скорость тела |
|
|
м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Fdt d m |
|
|
|
|
|
Fdt – импульс силы |
|
|
Н с |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d(m ) – изменение импульса тела |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
J m R2 |
|
|
|
|
|
J – момент инерции материальной |
кг м2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
точки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m – масса тела |
|
|
кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R – расстояние до оси вращения |
м |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
J |
|
1 |
m R2 |
|
|
|
|
|
J – момент инерции сплошного ци- |
кг м2 |
||||||||
2 |
|
|
|
|
|
линдра (или диска) относительно |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оси симметрии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
J |
|
2 |
m R2 |
|
|
|
|
|
J – момент инерции сплошного шара |
кг м2 |
||||||||
5 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
J |
|
1 |
m l2 |
|
|
|
|
|
J – момент инерции прямого тонкого |
кг м2 |
||||||||
12 |
|
|
|
|
|
стержня |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l – длина |
|
|
|
м |
J m R2 |
|
|
|
|
|
J – момент инерции тонкого обруча |
кг м2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(кольца) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9