Горлач Физика

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

В.В.Горлач

ФИ З И К А

Учебное пособие для студентов-заочников

Допущено Научно-методическим советом по физике Министерства образования и науки

Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям и специальностям

Омск

СибАДИ

2013

УДК 53 (075.8) ББК 22.3

Г 69

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В.И. Суриков (ОмГТУ); д-р физ.-мат. наук, проф. К.Н. Югай (ОмГУ)

Горлач В.В.

Г69 Физика: Учебное пособие для студентов-заочников / В.В. Горлач.

– Омск : СибАДИ, 2013. – 174 с.

ISBN 978-5-93204-623-4

В книгу включены необходимые материалы для самостоятельного изучения вузовского курса физики: программа; тематика и тексты контрольных заданий; теоретические сведения (формулы-определения физических величин и основные формулы-законы); примеры решения задач; аннотированный указатель учебной литературы; краткое математическое приложение и таблицы физических постоянных.

Тематика и уровень заданий, рекомендованная последовательность их выполнения отражают содержание и структуру Проекта программы по физике к стандартам III поколения для технических направлений и специальностей вузов.

Пособие предназначено студентам высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям и специальностям.

Табл. 16. Ил. 67. Библиогр.: 16 назв.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение …................................................................................................... 4

I.Рабочая программа …................................................................................. 5

II. Аннотированный указатель рекомендуемой литературы ...…............ 10

III. Общие методические указания к выполнению заданий. .….............. 11

IV. Тематика контрольных заданий .….......................................................... 13

V. Основные формулы: определения и законы ..…................................... 14

1.Механика …........................................................................................ 14

2.Электричество и магнетизм …........................................................ 19

3.Колебания и волны …...................................................................... 26

4.Квантовая физика …........................................................................ 32

6.Физика конденсированного состояния …....................................... 41

VI. Контрольные задания и примеры решения .…..…............................ 43

1.Механика …............................................................................................... 43

2.Электричество и магнетизм …............................................................... 59

Приложения

1.Приближённые вычисления …........................................................................ 162

2.Некоторые сведения из математики …............................................................ 164

3.Международная система единиц (СИ) …........................................................ 166

3

ВВЕДЕНИЕ

Физика как наука выявляет закономерности процессов в окружающем мире и объясняет природные явления. Понятия и законы физики лежат в основе всего естествознания. Достижениями физики определяется уровень современной техники. Составляя наряду с другими естественнонаучными дисциплинами фундамент подготовки бакалавра или специалиста, курс физики создаёт необходимые предпосылки для успешного освоения общетехнических и специальных дисциплин, формирует профессиональные компетенции: способность выявить естественнонаучную сущность технических и технологических задач и привлечь для их решения основные законы физики; умение применять методы моделирования и соответствующий физико-математический аппарат.

Согласно требованиям высшего образовательного стандарта (ЕН.Ф) и федеральных образовательных стандартов курс физики должен обеспечить следующий минимум знаний и умений:

1. Дать представление о

Вселенной как физическом объекте и её эволюции;

состояниях природных объектов и физических процессах;

случайности и закономерности в физических явлениях;

соотношении порядка и беспорядка в системах физических объектов;

динамических и статистических закономерностях;

дискретности и непрерывности в природе;

индивидуальном и коллективном поведении объектов в природе;

принципах симметрии и законах сохранения;

соотношении эмпирического и теоретического в познании.

2. Дать знания и умения использования

основных понятий, моделей и законов механики, электричества и магнетизма, колебаний и волн, квантовой физики, статистической физики и термодинамики;

методов теоретического и экспериментального исследования.

Студенты, обучающиеся по техническим и технологическим направлениям и специальностям, в результате освоения курса физики должны:

•понимать сущность основных физических законов и смысл физических понятий и величин;

•знать единицы Международной системы единиц (СИ) и уметь использовать СИ в расчётах;

4

•знать методы измерения физических величин; уметь читать показания приборов, оформлять результаты измерений в виде таблиц

идиаграмм, анализировать результаты эксперимента с учётом погрешностей и делать выводы; понимать взаимосвязь теории и эксперимента, уметь планировать проведение опытов с целью проверки справедливости выбранной модели реального явления; устанавливать причинно-следственные связи по результатам опытов;

•уметь применять полученные знания при решении конкретных задач методами физики;

•иметь представление о явлениях и свойствах объектов, являющихся предметом дальнейшего углублённого изучения общетехнических дисциплин.

I. Рабочая программа

Введение. Общая структура и задачи курса. Математика и физика. Физика и техника. Методы физических исследований: опыт, гипотеза, теория, эксперимент. Международная система единиц.

Физические основы механики. Физические модели в механике: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело. Пространство и время в классической механике. Уравнения движения материальной точки. Скорость и ускорение при криволинейном движении; тангенциальное и нормальное ускорения. Угловая скорость и угловое ускорение при движении материальной точки по окружности.

Современная трактовка законов Ньютона. Закон сохранения импульса. Теорема об изменении кинетической энергии. Консервативные и неконсервативные силы. Работа консервативной силы и потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии. Границы применимости классической механики.

Элементы релятивистской механики: принцип относительности; закон сложения скоростей; масса, импульс, энергия; закон сохранения массы и энергии в теории относительности.

Динамика вращательного движения твердого тела: момент инерции, момент силы, момент импульса тела относительно неподвижной оси вращения; уравнение динамики вращательного движения; энергия и работа при вращательном движении; закон сохранения момента импульса.

5

Электричество. Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие зарядов в вакууме и в веществе; закон Кулона. Напряжённость поля и поток вектора напряжённости. Теорема Гаусса и её применение для расчёта поля распределённых зарядов. Потенциал и работа электрического поля. Связь потенциала с напряжённостью. Принцип суперпозиции электрических полей. Поле диполя.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Электрическое смещение. Поверхностная плотность заряда. Электроёмкость, конденсаторы. Энергия и плотность энергии электрического поля.

Условия существования постоянного электрического тока. Закон Ома и закон Джоуля – Ленца в локальной (дифференциальной) форме. ЭДС источника тока. Изменение электрического потенциала вдоль участка цепи, содержащего источник тока; обобщённый закон Ома. Правила Кирхгофа.

Магнетизм. Вихревой характер магнитного поля. Сила Лоренца и сила Ампера. Вектор магнитной индукции. Магнитный поток; теорема Гаусса для магнитного поля. Магнитный момент контура с током. Момент силы, действующий на рамку с током в магнитном поле. Принцип суперпозиции магнитных полей. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчётам индукции магнитного поля, созданного электрическим током в проводниках различной конфигурации. Закон полного тока и его применение к расчёту магнитного поля соленоида и тороида.

Работа перемещения 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. Напряжённость магнитного поля. Особые свойства ферромагнетиков.

Явление самоиндукции, индуктивность. Физические основы генерирования и трансформации переменного тока. Энергия и плотность энергии магнитного поля.

Уравнения Максвелла в интегральной форме; ток смещения. Материальные уравнения.

Физика колебаний. Единый подход к рассмотрению колебаний различной природы. Амплитуда, угловая частота, фаза гармонических колебаний. Изображение гармонических колебаний с помощью

6

вращающегося вектора амплитуды. Сложение колебаний, векторные диаграммы.

Гармонический осциллятор (груз на пружине, физический маятник, математический маятник, колебательный контур); период колебаний; энергетические соотношения.

Свободные колебания; коэффициент затухания, логарифмический декремент. Ангармонический осциллятор. Автоколебания.

Колебания под действием внешней синусоидальной силы. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс. Анализ резонансных кривых; добротность колебательной системы. Вынужденные колебания в цепи переменного тока. Резонанс напряжений. Активное и реактивные сопротивления. Векторная диаграмма. Полное сопротивление. Закон Ома для цепи переменного тока.

Физика волновых процессов. Бегущая волна, фазовая скорость и длина волны. Одномерное волновое уравнение. Волны в упругой среде. Энергетические соотношения, вектор Умова. Поведение волн на границе двух сред. Стоячая волна. Собственные частоты (нормальные моды) при распространении колебаний в трубах и стержнях. Физические основы акустики.

Плоские электромагнитные волны; уравнение волны. Энергетические соотношения для электромагнитной волны; вектор Пойнтинга. Поляризация волн: поляризация света при отражении и поглощении; двойное лучепреломление.

Интерференция. Способы получения интерференционных картин. Оптическая разность хода; условия максимального усиления и максимального ослабления волн. Расчёт интерференционной картины от двух источников. Интерференция в тонких плёнках. Интерферометры.

Дифракция волн, условия её наблюдения. Принцип Гюйгенса – Френеля. Зоны Френеля. Дифракция на круглом отверстии, на диске, на одной щели и на системе многих параллельных щелей. Разрешающая способность дифракционной решётки.

Объяснение отражения и преломления на основе волновой теории. Полное отражение света. Оптическая сила линзы и системы линз.

Фотометрические величины и их единицы: светимость, яркость, световой поток, сила света, освещенность; законы освещенности.

Квантовая физика. Квантовая гипотеза Планка; энергия и импульс квантов электромагнитного излучения. Фотоэффект и эффект Комптона. Опыт Франка – Герца. Линейчатые спектры излучения и

7

поглощения. Атомная теория Бора; объяснение спектров водородоподобных атомов и рентгеновского излучения; недостатки теории Бора. Понятие о рентгеноспектральном анализе состава вещества и рентгеноструктурном анализе кристаллических твердых тел.

Равновесное тепловое излучение: основные понятия и законы; распределение энергии по спектру теплового излучения; оптическая пирометрия.

Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Соотношения неопределённостей. Физический смысл волновой функции. Уравнение Шрёдингера и примеры его применения.

Квантовые системы и квантовые состояния. Квантовые числа. Энергетические спектры атомов и молекул. Распределение частиц по состояниям в квантовых системах.

Вынужденное излучение энергии атомами. Лазер. Свойства лазерного излучения. Понятие о нелинейной оптике.

Ядро атома как квантовая система. Состав ядра. Свойства ядерных сил. Энергия связи ядра. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Особенности бета-распада. Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Дозиметрические величины и их единицы. Применение законов сохранения к процессам ядерных превращений. Ядерные реакции; деление и синтез. Физические принципы ядерной энергетики.

Статистическая физика и термодинамика. Молекулярно-кине- тическая теория (МКТ). Основное уравнение МКТ идеального газа. Скорости теплового движения молекул в газе. Распределение молекул по скоростям. Распределение молекул в потенциальном поле. Среднее число столкновений и длина свободного пробега молекул. Кинетические явления в газах: диффузия, теплопроводность, внутреннее трение.

Макроскопическое состояние. Уравнение состояния идеального газа. Статистический смысл температуры. Внутренняя энергия как функция состояния. Распределение энергии по степеням свободы молекулы. Зависимость теплоёмкости газа от температуры.

Первый закон термодинамики и его применение к расчётам теплоёмкостей газов в изопараметрических процессах. Адиабатный процесс, уравнение Пуассона. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы. Второй закон термодинамики. Термодинамическое определение энтропии. Статистический смысл энтропии. Цикл

8

Карно. Максимальный КПД теплового двигателя. Третий закон термодинамики.

Реальные газы. Изотермы Ван дер Ваальса. Уравнение состояния реального газа. Внутренняя энергия реального газа. Агрегатное состояние и фаза вещества. Фазовые переходы.

Свойства жидкости. Диффузия и внутреннее трение; динамическая и кинематическая вязкости жидкости; поверхностное натяжение. Движение тел в жидкости; закон Ньютона; закон Стокса.

Элементы механики жидкости: давление в жидкости; уравнение неразрывности; уравнение Бернулли.

Свойства твёрдых тел. Объяснение анизотропии свойств твёрдых тел особенностями кристаллической структуры. Дефекты кристаллической решётки. Упругость, прочность, модуль упругости. Закон Гука.

Элементы зонной теории твёрдых тел. Элементы квантовой статистики: теория свободных электронов в твёрдых телах, уровень Ферми. Теплоёмкость твёрдых тел; фононы; закон Дебая.

Контактные явления в твёрдых телах. Термоэдс, эффект Пельтье. Свойства p – n-перехода в полупроводниках.

Современная физическая картина мира. Иерархия структур материи, элементарные частицы; их взаимодействие и взаимопревращаемость. Эволюция Вселенной. Проблемы современной физики. Границы применимости физических теорий.

9