4486

3

УДК 53 (075) Ф50

Евсикова Н.Ю. Физика [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по всем направлениям подготовки / Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, Н.Н. Матвеев, Н.Н. Панюшкин, В.В. Постников, В.В. Саушкин ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 34 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебными планами направлений, образцы оформления решения задач и отчета по лабораторной работе.

Методические указания предназначены для студентов всех направлений подготовки (уровень бакалавриата) всех форм обучения. Они могут быть использованы при дистанционном обучении.

Табл. 5. Ил. 8. Библиогр.: 11 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензенты: доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой общей физики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» Клинских А.Ф.

Ответственный редактор Евсикова Н.Ю.

Коллектив авторов, 2016

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Физика изучает фундаментальные закономерности, лежащие в основе современных технологий и формирующие принципы работы всех технических устройств, которые широко используются в различных отраслях экономики, например, в технологическом оборудовании, строительно-дорожной технике, автомобильном транспорте, лесозаготовительной технике, в природопользовании и во многих других. Поэтому освоение этой дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического и технологического профиля. Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)теоретическая подготовка к лабораторному практикуму и оформление отчетов по результатам экспериментальных исследований;

3)выполнение индивидуальных и расчетных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам, зачетам и экзаменам.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов всех направлений подготовки (уровень бакалавриата) всех форм обучения. Они могут быть использованы при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Физика» является приобретение студентами фундаментальных физических знаний, являющихся базой для изучения технических дисциплин и междисциплинарной экспериментальноисследовательской деятельности, формирование научного мировоззрения и навыков использования основных законов физики для решения задач, связанных с профессиональной деятельностью по проектированию изделий и технологических процессов в машиностроении.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

изучить законы окружающего мира в их взаимосвязи;

овладеть фундаментальными принципами и методами решения на- учно-технических задач;

сформировать навыки по применению положений фундаментальной физики к грамотному научному анализу ситуаций, с которыми бакалавру придется сталкиваться при создании или использовании новой техники и новых технологий;

освоить основные физические теории, позволяющие описывать явления природы, и знания о пределах применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач;

сформировать у студентов основы естественнонаучной картины

мира;

ознакомить студентов с историей и логикой развития физики и основных еѐ открытий.

В результате освоения дисциплины студент должен:

знать:

основные физические явления и основные законы физики; границы их применимости, применение законов в важнейших практических приложениях;

основные физические величины и физические константы, их определение, смысл, способы и единицы их измерения;

фундаментальные физические опыты и их роль в развитии науки;

назначение и принципы действия важнейших физических приборов;

уметь:

объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий;

указать, какие законы описывают данное явление или эффект;

истолковывать смысл физических величин и понятий;

7

записывать соотношения для физических величин в системе СИ;

работать с приборами и оборудованием современной физической лаборатории;

использовать различные методики физических измерений и обработки экспериментальных данных;

использовать методы адекватного физического и математического моделирования, а также применять методы физико-математического анализа

крешению конкретных естественнонаучных и технических проблем;

владеть:

навыками использования основных общефизических законов и принципов в важнейших практических приложениях;

навыками применения основных методов физико-математического анализа для решения естественнонаучных задач;

навыками правильной эксплуатации основных приборов и оборудования современной физической лаборатории;

навыками обработки и интерпретирования результатов эксперимен-

та;

навыками использования методов физического моделирования в инженерной практике.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. Введение. Механика.

Введение. Физика в системе естественных наук. Общая структура и задачи дисциплины «Физика». Экспериментальная и теоретическая физика. Физические величины, их измерение и оценка погрешностей. Системы единиц физических величин. Краткая история физических идей, концепций и открытий. Физика и научно-технический прогресс.

1.1.Кинематика. Основные кинематические характеристики криволинейного движения: скорость и ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорение. Кинематика вращательного движения: угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейной скоростью и ускорением. Пространство и время в механике Ньютона. Физический смысл производной и интеграла.

1.2.Динамика. Инерциальные системы отсчета и первый закон Ньютона. Второй закон Ньютона. Масса, импульс, сила. Уравнение движения материальной точки. Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса. Связь закона сохранения импульса с однородностью пространства. Силы трения. Интегрирование уравнений движения, роль начальных условий. Центр масс

8

механической системы, закон движения центра масс. Движение тел с переменной массой. Уравнение Мещерского. Формула Циолковского.

1.3.Энергия. Сила, работа и потенциальная энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Работа и кинетическая энергия. Закон сохранения полной механической энергии в поле потенциальных сил. Связь закона сохранения энергии с однородностью времени. Связь между силой и потенциальной энергией. Градиент скалярной функции. Столкновения тел. Абсолютно упругое столкновение.

1.4.Момент импульса. Момент импульса материальной точки и механической системы. Момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса механической системы. Связь закона сохранения момента импульса с изотропностью пространства.

1.5.Динамика вращательного движения. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела с закрепленной осью вращения. Момент импульса тела. Момент инерции. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела.

1.6.Элементы механики сплошных сред. Общие свойства жидкостей и газов. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли. Идеально упругое тело. Упругие напряжения и деформации. Закон Гука. Модуль Юнга. Энергия упругих деформаций твердого тела.

1.7.Закон всемирного тяготения. Движение в поле центральных сил. Законы Кеплера. Космические скорости. Неинерциальные системы отсчета.

Релятивистская механика. Принцип относительности и преобразования Галилея. Неинвариантность электромагнитных явлений относительно преобразований Галилея. Постулаты специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Относительность одновременности и преобразования Лоренца. Парадоксы релятивистской кинематики: сокращение длины и замедление времени в движущихся системах отсчета. Релятивистский импульс. Взаимосвязь массы и энергии в СТО. СТО и ядерная энергетика. Преобразование скоростей в релятивистской кинематике. Сохранение релятивистского импульса. Релятивистская энергия. Четырехмерное пространство-время в СТО и его псевдоевклидова метрика. Понятие релятивистского интервала. Границы применимости классической механики.

Раздел 2. Термодинамика и статистическая физика.

2.1.Статистический и термодинамический методы исследования. Феноменологическая термодинамика. Термодинамическое равновесие и температура. Нулевое начало термодинамики. Эмпирическая температурная шкала. Квазистатические процессы. Уравнение состояния идеального газа. Изохорический, изобарический, изотермический процессы в идеальных газах.

9

2.2.Молекулярно-кинетическая теория. Давление газа с точки зрения МКТ. Распределение Максвелла для модуля и проекций скорости молекул идеального газа. Экспериментальное обоснование распределения Максвелла. Распределение Больцмана и барометрическая формула. Наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости.

2.3.Элементы физической кинетики. Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Броуновское движение. Число столкновений и длина свободного пробега молекул идеального газа. Эмпирические уравнения переноса: Фика, Фурье и Ньютона. Релаксация к состоянию равновесия.

2.4.Внутренняя энергия идеального газа. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Связь теплоемкости идеального газа с числом степеней свободы молекул. Уравнение Майера. Адиабатический процесс. Политропический процесс и его частные случаи. Преобразование теплоты в механическую работу.

2.5.Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики. Цикл Карно и его коэффициент полезного действия. Энтропия. Третье начало термодинамики.

2.6.Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критическая изотерма. Фазовые превращения.

Раздел 3. Электричество и магнетизм.

3.1.Электростатика. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электростатического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме и ее применение для расчета электрических полей. Циркуляция вектора напряженности.

3.2.Проводники в электрическом поле. Равновесие зарядов в проводнике. Основная задача электростатики проводников. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля между проводниками. Электростатическая защита. Емкость проводников и конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Объемная плотность энергии электростатического поля.

3.3.Диэлектрики в электрическом поле. Электрическое поле диполя. Диполь во внешнем электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Ориентационный и деформационный механизмы поляризации. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в однородном диэлектрике. Дипольный момент системы зарядов. Вектор поляризации (поляризованности) диэлектрика

иего связь с объемной и поверхностной плотностью связанных зарядов. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая

10

восприимчивость и диэлектрическая проницаемость. Объемная плотность энергии электрического поля в диэлектрике.

3.4.Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности для плотности тока. Закон Ома в интегральной и дифференциальной формах. Закон Джоуля-Ленца. Закон Видемана-Франца. Электродвижущая сила источника тока. Правила Кирхгофа. Классическая теория электропроводности металлов (теория Друде-Лоренца), условия ее применимости и противоречия с экспериментальными результатами.

3.5.Магнитостатика. Магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле и магнитный дипольный момент кругового тока. Закон Ампера. Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Эффект Холла и его применение. Теорема о циркуляции (закон полного тока). Поток вектора индукции магнитного поля. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.

3.6.Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты электронов и атомов. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Вектор намагниченности и его связь с плотностью молекулярных токов. Напряженность магнитного поля. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Объемная плотность энергии магнитного поля в веществе.

3.7.Электромагнитная индукция. Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Уравнение электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность соленоида. Включение и отключение катушки от источника постоянной эдс. Энергия магнитного поля.

3.8.Уравнения Максвелла. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме и физический смысл входящих в нее уравнений.

Раздел 4. Колебания и волны.

4.1.Гармонические колебания. Амплитуда, частота и фаза колебания. Комплексная форма представления гармонических колебаний. Идеальный гармонический осциллятор. Уравнение идеального осциллятора и его решение. Примеры колебательных движений различной физической природы. Сложение колебаний (биения, фигуры Лиссажу). Векторное описание сложения колебаний. Разложение и синтез колебаний, понятие о спектре колебаний. Связанные колебания. Свободные затухающие колебания осциллятора с потерями. Вынужденные колебания. Время установления вынужденных колебаний и его связь с добротностью осциллятора. Автоколебания.