умк_Вабищевич_Физика_ч
.2.pdfМинистерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»
С.А. ВАБИЩЕВИЧ, В.А. ГРУЗДЕВ, Г.А. ДУБЧЕНОК
В.Г. ЗАЛЕССКИЙ, Г.М. МАКАРЕНКО
ФИЗИКА
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
для студентов технических специальностей
В двух частях
Часть 2
Новополоцк 2005
УДК 53 (075.8)
ББК 22 я73
В 12
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
В.И. Семенов, член.-корр. БИА, канд. техн. наук, генеральный директор ОАО Полоцкий завод «Проммашремонт»; Н.В. Ощепкова, доцент кафедры физики, канд. техн. наук; Л.И. Прокопович, доцент кафедры физики, канд. физ.-мат. наук
Рекомендован к изданию методической комиссией геодезического факультета
В12 Вабищевич С.А., Груздев В.А., Дубченок Г.А., Залесский В.Г., Макаренко Г.М. Физика: учеб. - метод. комплекс для студентов технических специальностей. В 2-х ч.
Ч. 2. – Новополоцк: ПГУ, 2005. – 256 с. ISBN 985-418-323-8 (Ч. 2)
ISBN 985-418-324-6
Вторая часть УМК включает три модуля: «Электростатика. Постоянный ток», «Электромагнетизм», «Волновые процессы и оптические явления». Объединение этих модулей в одну книгу обусловлено рабочей программой по физике на семестр.
Предназначен для студентов технических специальностей.
УДК 53 (075.8)
ББК 22 я73
ISBN 985-418-323-8 (Ч. 2) ISBN 985-418-324-6
© Вабищевич С.А., Груздев В.А., Дубченок Г.А., Залесский В.Г., Макаренко Г.М., 2005 © УО «ПГУ», 2005
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... |
5 |
УЧЕБНЫЙМОДУЛЬ№4 «ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙТОК» ........ |
7 |
Введение .............................................................................................................. |
7 |
Учебно-методическая структура модуля ......................................................... |
7 |
Методическая программа модуля ..................................................................... |
8 |
1. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЗАРЯДОВ» ..................... |
9 |
1.1. Краткое содержание теоретического материала .................................... |
10 |
1.2. Вопросы для самоконтроля ...................................................................... |
25 |
1.3. Методические указания к практическим занятиям ................................ |
26 |
1.3.1. Содержание практических занятий ...................................................... |
26 |
1.3.2. Пример методической структуры практического занятия ................. |
27 |
1.4. Примеры решения задач ........................................................................... |
28 |
1.5. Задачи для самостоятельного решения ................................................... |
41 |
2. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ» ............ |
46 |
2.1. Краткое содержание теоретического материала .................................... |
47 |
2.2. Вопросы для самоконтроля ...................................................................... |
53 |
2.3. Методические указания к практическим занятиям ................................ |
55 |
2.3.1. Содержание практических занятий ...................................................... |
55 |
2.3.2. Методическая структура практического занятия ................................ |
55 |
2.4. Примеры решения задач ........................................................................... |
56 |
2.5. Задачи для самостоятельного решения ................................................... |
65 |
3. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ |
|
ТОКВРАЗЛИЧНЫХСРЕДАХ» .............................................................................. |
68 |
3.1. Краткое содержание теоретического материала .................................... |
69 |
3.2. Вопросы для самоконтроля ...................................................................... |
79 |
3.3. Практические занятия ............................................................................... |
80 |
3.4. Примеры решения задач ........................................................................... |
81 |
3.5. Задачи для самостоятельного решения ................................................... |
90 |
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ № 5 «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ» ............................... |
93 |
Введение ............................................................................................................ |
93 |
Учебно-методическая структура модуля ....................................................... |
94 |
Методическая программа модуля ................................................................... |
94 |
1. УЧЕБНЫЙ БЛОК «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ» ............................................... |
96 |
1.1. Краткое содержание теоретического материала .................................... |
97 |
1.2. Вопросы для самоконтроля .................................................................... |
112 |
1.3. Методические указания к практическим занятиям .............................. |
113 |
1.3.1. Перечень типовых задач ...................................................................... |
113 |
3
1.3.2. Методические рекомендации .............................................................. |
113 |
1.4. Примеры решения задач ......................................................................... |
114 |
1.5. Задачи для самостоятельного решения ................................................. |
121 |
2. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ. МАГНИТНЫЕ |
|
СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА» ................................................................................. |
123 |
2.1. Краткое содержание теоретического материала .................................. |
124 |
2.2. Вопросы для самоконтроля .................................................................... |
139 |
2.3. Методические указания к практическим занятиям .............................. |
140 |
2.4. Примеры решения задач ......................................................................... |
141 |
2.5. Задачи для самостоятельного решения ................................................. |
144 |
3. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ОСНОВЫ ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА» ...................... |
146 |
3.1. Краткое содержание теоретического материала .................................. |
146 |
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ № 6 «ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ |
|
И ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ» ...................................................................... |
153 |
Введение .......................................................................................................... |
153 |
Учебно-методическая структура модуля ...................................................... |
153 |
Методическая программа модуля ................................................................. |
154 |
1. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ» .................................... |
155 |
1.1. Краткое содержание теоретического материала .................................. |
156 |
1.2. Методические указания к лекционным занятиям ................................ |
179 |
1.3. Методические указания к практическим занятиям .............................. |
179 |
1.4. Примеры решения задач ......................................................................... |
180 |
2. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА» ........................... |
184 |
2.1. Краткое содержание теоретического материала ................................... |
185 |
2.2. Методические указания к лекционным занятиям ................................ |
194 |
2.3. Методические указания к практическим занятиям .............................. |
194 |
2.4. Примеры решения задач ......................................................................... |
197 |
3. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ВОЛНОВАЯ ОПТИКА» ........................................... |
202 |
3.1. Краткое содержание теоретического материала ................................... |
203 |
3.2. Методические указания к лекционным занятиям ................................ |
223 |
3.3. Методические указания к практическим занятиям .............................. |
224 |
3.4. Примеры решения задач ......................................................................... |
226 |
4. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА» ....................................... |
235 |
4.1. Краткое содержание теоретического материала ................................... |
236 |
4.2. Методические указания к лекционным занятиям ................................ |
247 |
4.3. Методические указания к практическим занятиям .............................. |
248 |
4.4. Примеры решения задач ......................................................................... |
249 |
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................. |
255 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемый комплекс содержит систему взаимосвязанных и взаимодополняющих средств и способов обучения на основе действующей программы по физике и является второй частью учебно-методического комплекса (УМК) по физике.
Данное пособие содержит три модуля, построенных на тех же методических и структурных принципах, что и первая часть УМК. Каждый модуль содержит учебную и методическую программы, рекомендованную литературу, перечень требований к знаниям, умениям и навыкам студентов, краткое содержание теоретического материала, примеры решения типовых задач с подробными пояснениями, задачи для самостоятельного решения.
Для проведения контрольных работ и самостоятельной подготовки к экзамену данный комплекс дополнен отдельным методическим пособием, содержащим банк задач с примерами и рекомендациями по их решению.
Вторая часть УМК по физике разработана коллективом преподавателей кафедры физики ПГУ в составе профессоров В.А. Груздева и Г.М. Макаренко, доцентов С.А. Вабищевича и В.Г. Залесского, старшего преподавателя Г.А. Дубченка, под общей редакцией заведующего кафедрой физики, лауреата государственной премии России, д. т. н., профессора В.А. Груздева.
5
6
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ № 4 «ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ТОК»
Введение
Электростатикой называется раздел физики, в котором изучаются взаимодействия заряженных частиц (тел) и свойства электрических полей, создаваемых ими. Основная задача при изучении электростатики состоит в том, чтобы научиться определять характеристики электростатического поля отдельных зарядов и их совокупности в любой точке пространства. К основным характеристикам относятся: энергетические (потенциал, энергия, плотность энергии) и силовая (напряженность поля). Кроме этого необходимо научиться применять законы механики движения или равновесия систем заряженных частиц и тел, которые находятся в электростатическом поле. Перемещение зарядов в электрическом поле связано с работой перемещения, поэтому необходимо уяснить потенциальный характер электрического поля, научиться определять потенциальную энергию зарядов в электрическом поле и изолированных систем зарядов. Направленное (упорядоченное) движение зарядов, его закономерности и условия для различных сред изучаются в разделе «Постоянный ток». Кроме указанных разделов в модуле предусматривается изучение систем, аккумулирующих заряды и обеспечивающих их движение по внешним электрическим цепям.
Учебно-методическая структура модуля
Модуль № 4. «Электростатика. Постоянный ток»
1. Учебный блок «Электри- |
2. Учебный блок «Электри- |
|
3. Учебный блок |
|
|
ческое поле зарядов» |
ческое поле в веществе» |
|
«Постоянный ток» |
– |
элементарные заряды; |
– электрический диполь; |
– |
условия возбуждения |
закон сохранения зарядов; |
– поляризациямолекулвещества; |
электрического тока; |
||
– кулоновская сила взаимо- |
– проводники в электриче- |
– электронная теория про- |
||
действия зарядов; |
ском поле; электростатиче- |
водимости; |
||
– параметры электрического |
ская защита; |
– принцип непрерывности; |
||
поля точечных зарядов; |
– диэлектрики в электриче- |
– законы Ома для участка |
||
– напряженность, индук- |
ском поле; |
цепи и полной цепи; экви- |
||
ция, потенциал; |
– сегнетоэлектрики; элек- |
валентные цепи; |
||
– |
принцип суперпозиции |
тростатический гистерезис; |
– закон Джоуля – Ленца; |
|
электрических полей; |
– пьезоэлектрическийэффект; |
– |
электропроводность полу- |
|
– распределенные заряды; |
– энергияэлектрическогополя; |
проводников; |
||
– поле распределенных за- |
– плотность энергии элек- |
– электропроводность газов, |
||
рядов; теорема Остроград- |
трического поля |
газовые разряды; |
||
ского – Гаусса; |
|
– электрическийтокввакууме; |
||
– электрическаяемкостьтел; |
|
зарядиразрядконденсаторов; |
||
– движение зарядов в элек- |
|
– правилаКирхгофадлярасче- |
||
трическом поле |
|
та сложных электрических це- |
||
|
|
|
пейпостоянноготока |
|
7
Методическая программа модуля
Тема занятия |
Тип занятия |
Вид |
Часы |
||
занятия |
|||||
1. Элементарные заряды, закон сохранения зарядов, |
Диагностика |
и |
|
|
|
способы заряда тел. Взаимодействие точечных заря- |
углубление оста- |
лекция, |
2 |
||
дов (кулоновская сила). Параметры электрического |
точныхзнаний |
самост. |
|||
поля, физический смысл параметров |
|
|
|
|
|
2. Принцип суперпозиции электрических полей, на- |
Углубление |
|
|
|
|
хождение результирующих параметров поля системы |
знаний |
|
|
|
|
точечных зарядов. Распределенные заряды, поле рас- |
|
|
лекция |
2 |
|
пределенных зарядов, к которым не применима тео- |
|
|
|
|
|
рема Остроградского – Гаусса |
|
|
|
|
|
3. Расчет параметров поля точечных зарядов и систем |
Формирование |
практ. |
|
||
зарядов (без применения теоремы Остроградского – |
новых навыков |
3 |
|||
занятие |
|||||
Гаусса) |
|
|
|
|
|
4. Теорема Остроградского – Гаусса, методика ее ис- |
Формирование |
|
|
||
пользования для расчета поля распределенных заря- |
новых знаний |
лекция |
2 |
||
дов |
|
|
|
|
|
5. Расчет поля распределенных зарядов: объемных, |
Формирование |
практ. |
3 |
||
линейных, поверхностных |
новых навыков |
занятие |
|||
6. Вещество в электрическом поле: проводники, ди- |
Формирование |
лекция |
1 |
||
электрики, сегнето- и пьезоэлектрики |
новых знаний |
|
|
||
7. Электроемкость тел, конденсаторы, системы кон- |
Углубление |
|
лекция |
1 |
|
денсаторов |
знаний |
|
|||
|
|
|
|||
8. Движение зарядов в электрических полях |
Углубление |
|
практ. |
1 |
|
|
навыков |
|
занятие |
||
9. Системы конденсаторов. Энергия электрического |
Углубление |
|
практ. |
1 |
|
поля |
навыков |
|
занятие |
|
|
10. Моделирование поля в электростатических сис- |
Формирование |
лабор. |
4 |
||
темах |
новых навыков |
занятие |
|||
11. Электронная теория электропроводности. Элек- |
Формирование |
лекция |
2 |
||
тропроводность полупроводников и газов |
новых знаний |
|
|
||
12. Законы Ома для цепей постоянного тока в инте- |
Углубление |
зна- |
лекция, |
|
|
гральной и дифференциальной формах. Эквивалент- |
ний и формирова- |
1 |
|||
ные цепи |
ниеновыхзнаний |
самост. |
|
||
13. Расчет электрических цепей с применением зако- |
Формирование |
практ. |
2 |
||
нов Ома и Джоуля – Ленца |
новых навыков |
занятие |
|
||
14. Правила Кирхгофа для расчета сложных электри- |
Формирование |
лекция |
1 |
||
ческих цепей постоянного тока |
новых знаний |
|
|
||
15. Расчет сложных электрических цепей с использо- |
Формирование |
практ. |
2 |
||
ванием правил Кирхгофа |
новых навыков |
занятие |
|
||
16. Исследование цепей постоянного тока |
Формирование |
лабор. |
4 |
||
|
новых навыков |
занятие |
|
||
8
1. УЧЕБНЫЙ БЛОК «ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЗАРЯДОВ»
Введение
В данном учебном блоке основное внимание уделяется расчету параметров электрического поля точечных и распределенных зарядов. Дана методика расчета параметров поля с учетом принципа суперпозиции полей зарядов. Показано, что электрическое поле имеет потенциальный характер, т.е. может изменять энергию зарядов, перемещающихся в поле, на основе принципа эквивалентности работы и энергии.
Учебная программа блока
|
Содержание блока |
Форма |
|
|
подготовки |
||
|
|
||
1. |
Элементарные заряды. Закон сохранения заряда. Заряды |
лекция, |
|
в телах, способы заряда тел |
самост. |
||
|
|
||
|
|
|
|
2. |
Взаимодействие зарядов, кулоновская сила, поле сил |
лекция, |
|
|
|
||
|
|
самост. |
|
|
|
|
|
3. |
Силовая (напряженность) и энергетическая (потенциал) |
|
|
характеристики поля точечных зарядов. Индукция элек- |
лекция, |
||
трического поля. Графическое отображение поля. |
самост. |
||
Принцип суперпозиции электрических полей |
|
||
4. |
Распределенные заряды: линейные, поверхностные, |
|
|
объемные. Расчет поля распределенных зарядов мето- |
лекция |
||
дом точечных зарядов |
|
||
5. Теорема Остроградского – Гаусса. Применение (методика) |
|
||
теоремыдлярасчетаполяраспределенныхзарядов. Следствия: |
лекция |
||
возможностьсведенияраспределенныхзарядовкточечным |
|
||
6. |
Движение зарядов в электрическом поле, работа по |
лекция |
|
перемещению зарядов в электрическом поле |
|||
|
|||
7. |
Электрическая емкость тел |
лекция |
|
|
|
||
|
|
|
|
Литература
[6, § 2.5] [7, § 11.1] [10, § 77]
[6, § 2.6] [7, § 11,2] [10, § 78
[6, § 2.7 – 2.10] [7, § 11.3] [10, § 79, 80]
[7, § 11.5]
[6, § 2.12] [7, § 11.6] [10, § 81]
[7, § 11.7; 11.9] [10, § 85, 86]
[6, § 2.11 – 2.18] [7, § 12.5 – 12.6] [10, § 93; 94]
Цели обучения
Для успешного изучения материалов блока студент должен иметь представление (в рамках школьной программы) об элементарных зарядах, о зарядовой структуре атомов, о сущности законов сохранения (в частности – зарядов) в природе, о векторных величинах, об энергии и эквивалентности работы и энергии, о потенциальном поле сил.
9
После изучения блока
|
студент должен знать |
|
студент должен уметь |
|
|
||
– параметры электрического поля: |
– определять параметры поля точечных зарядов; |
||||||
напряженность, потенциал, индук- |
– рассчитывать параметры поля распределенных |
||||||
ция и связь между параметрами; |
зарядов; |
|
|
|
|
||
– методику расчета параметров поля |
– в возможных случаях сводить распределенные |
||||||
распределенных |
зарядов методом |
заряды к точечным; |
|
|
|
||
точечных зарядов и принцип супер- |
– определять работу и изменение энергии зарядов |
||||||
позицииполейзарядов; |
при их перемещении в электрическом поле; |
|
|
||||
– теорему Остроградского – Гаусса, |
– определять потенциальную энергию системы за- |
||||||
методику ее применения для расчета |
рядов и ее изменение при изменении их взаимного |
||||||
параметров поля |
распределенных |
расположения; |
|
|
|
||
зарядов; |
|
– находить взаимосвязь между зарядом тел и их по- |
|||||
– понятие электроемкости тел |
тенциалом |
|
|
|
|
||
|
Методическая программа блока |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тема |
|
Типзанятия |
Вид |
Часы |
|
|
|
|
|
|
занятия |
|
|
|
1. Заряды в телах, элементарные заряды. Закон |
|
|
|
|
||
|
сохранения зарядов. Способы заряда тел. Точеч- |
Углубление знаний и |
|
|
|
||
|
ныезаряды. Поле точечныхзарядов. Напряженность |
формирование новых |
лекция |
2 |
|
||
|
и потенциал. Индукция поля. Принцип суперпози- |
знаний |
|
|
|
||
|
цииполей. Движениезарядоввполе |
|
|
|
|
|
|
|
2. Графическое изображение полей. Циркуляция |
|
|
|
|
||
|
и поток вектора Е. Распределенные заряды (сис- |
Формирование новых |
лекция |
2 |
|
||
|
темы зарядов). Теорема Остроградского – Гаусса. |
знаний |
|
|
|
||
|
Методика расчета полей распределенных зарядов |
|
|
|
|
||
|
3. Методика точечных зарядов расчета поля сис- |
Формирование новых |
лекция |
2 |
|
||
|
темы зарядов. Электроемкость тел |
|
знаний |
|
|
|
|
|
4. Параметры электрического поля точечных заря- |
Углубление и систе- |
практ. |
2 |
|
||
|
дов. Движениезарядоввполе |
|
матизациянавыков |
занятие |
|
||
|
5. Расчет поля системы распределенных зарядов |
Формирование новых |
практ. |
3 |
|
||
|
|
|
|
навыков |
занятие |
|
|
|
6. Расчет электрической емкости. Расчет эквива- |
Формирование новых |
практ. |
1 |
|
||
|
лентных электрических емкостей |
|
навыков |
занятие |
|
||
|
7. Исследование электрического поля |
Формирование новых |
лабор. |
4 |
|
||
|
|
|
|
навыковиумений |
работа |
|
|
1.1. Краткое содержание теоретического материала
Все тела (вещества) состоят из нейтральных атомов. Однако каждый атом содержит два различных типа элементарных зарядов (отрицательные – электроны и положительные – протоны) в равном количестве. Нарушение
10