2014_bogdanov_fisika

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

Министерство образования и науки Российской Федерации

Вологодский государственный университет

ФИЗИКА

Утверждено редакционно-издательским советом

в качестве учебного пособия

Вологда

2014

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

УДК 53.(07.072) ББК 22.3я73 Ф 48

Рецензенты:

В.А. Горбунов, д-р физ.-мат. наук, профессор Вологодского государственного университета;

А.И. Домаков, канд. техн. наук, профессор Вологодского государственного университета

Ф 48 Физика: учебное пособие / сост. В.И. Богданов, С.К. Корнейчук,

О.Ю. Штрекерт. – Вологда: ВоГУ, 2014. – 230 с.

В пособии приведено содержание основных законов и понятий физики, необходимых для изучения общетехнических и специальных дисциплин. Даны методические рекомендации к выполнению контрольных работ, требования к их оформлению, а также примеры решения задач.

Пособие рекомендуется студентам технических направлений бакалавриата заочной формы обучения.

УДК 53.(07.072) ББК 22.3я73

© ВоГУ, 2014

2

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

3

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

Введение

Курс общей физики студенты заочной формы обучения изучают на первом и втором курсах. Занятия проводятся в форме лекций, практических и лабораторных занятий, а также в виде консультаций.

Контроль знаний осуществляется при защите контрольных работ, в виде отчетов за проделанные лабораторные работы, а также в виде зачетов и экзаменов. Содержание курса изложено в рабочей программе, составленной на основе требований Государственного стандарта для рассматриваемых специальностей. В программе даны: тематика лекций, темы практических занятий, список лабораторных работ.

Программа учебного курса

Цель курса: раскрыть содержание основных законов и понятий физики; обеспечить понимание и усвоение физических закономерностей и явлений, которые необходимы для изучения общетехнических и специальных дисциплин (физические основы электроники, общая химия, электротехника, материаловедение и технология конструкционных материалов, энергетика и т.д.).

Содержание курса

Тема 1: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ. ЭЛЕМЕНТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1.1.Кинематика поступательного и вращательного движения материальной точки.

1.2.Динамика материальной точки. Силы в природе. Закон Всемирного тяготения. Системы отсчета в механике.

1.3.Импульс. Закон сохранения импульса. Энергия как количественная мера движения материи. Работа силы. Мощность. Кинетическая энергия

иее связь с работой. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии для системы материальных точек.

1.4.Динамика абсолютно твердого тела: момент инерции и момент импульса. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса для системы материальных точек. Момент инерции твердого тела относительно неподвижной оси вращения. Основное уравнение динамики вращательного движения. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия твердого тела.

1.5.Механика сплошных сред: давление, закон Паскаля, закон Архимеда. Равновесие, погруженных в жидкость, тел. Идеальная жидкость. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Течение вязкой жидкости. Ламинарное и турбулентное течение. Число Рейнольдса. Движение вязкой жидкости в трубе. Формула Пуазейля. Метод Стокса. Движение тел в жидкостях и газах.

1.6.Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Инварианты преобразований. Элементы релятивистской динамики: масса, импульс и энергия.

4

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

Тема 2: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

3.1.Понятие о колебательных процессах. Смещение, скорость, ускорение материальной точки, совершающей колебательное движение. Амплитуда. Период. Частота. Сложение гармонических колебаний. Маятники: физический, математический и пружинный. Свободные колебания. Коэффициент затухания, декремент затухания, добротность колебательной системы.

3.2.Понятие волны. Продольные и поперечные волны. Волновое уравнение. Энергия бегущей волны. Вектор Умова.

Тема 3:ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

4.1.Термодинамический метод. Макроскопические параметры. Уравнение состояния. Первое начало термодинамики. Классическая теория теплоемкости идеального газа. Адиабатный процесс.

4.2.Обратимые и необратимые тепловые процессы. Тепловые двигатели. Второе начало термодинамики в формулировке Томпсона и Клаузиуса. Цикл Карно. КПД тепловой машины. Энтропия. Закон возрастания энтропии. Цикл Карно в (T,S) – координатах.

4.3.Фазовые переходы первого рода. Условия равновесия фаз. Диаграмма фазового равновесия. Тройная точка. Фазовые переходы второго рода. Λ-переходы.

Тема 4: ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ТОК

4.1.Электростатическое поле в вакууме: закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность поля. Теорема Остроградского – Гаусса для электростатического поля в вакууме. Работа сил поля. Потенциал. Связь потенциала с напряженностью поля.

4.2.Электрическое поле в диэлектриках:поляризация диэлектрика, поляризованность, виды поляризации в диэлектриках. Сегнетоэлектрики. Гистерезис. Петля гистерезиса. Вектор электростатической индукции. Относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость.

4.3.Проводники в электрическом поле.Связь напряженности поля у поверхности проводника с поверхностной плотностью заряда. Конденсаторы. Электроемкость. Энергия электрического поля в конденсаторе.

4.4.Постоянный электрический ток и его характеристики: сила тока, плотность тока. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводника. Сверхпроводимость.Закон Ома и закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме записи. Сторонние силы и электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Законы Кирхгофа. Классическая теория электропроводности металлов.

Тема 5: ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 5.1. Магнитное поле и его характеристики. Вектор магнитной индук-

ции. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле проводника с током и витка с током. Сила Ампера.

5

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

5.2.Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Принцип действия ускорителей. Контур с током в магнитном поле. Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Закон полного тока.

5.3.Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность соленоида и тороида. Магнитная энергия тока. Плотность магнитной энергии.

5.4.Статическое поле в веществе. Плоский конденсатор с диэлектриком. Энергия диполя во внешнем электростатическом поле. Поляризация диэлектрика. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.

Молекулярные токи. Намагниченность. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Виды магнетиков.

5.5.Уравнения Максвелла. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме записи.

5.6.Электромагнитные колебания. Превращение энергии в колебательном контуре. Переменный ток.

Тема 6.ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

6.1.Интерференция света. Способы получения когерентных волн и интерференционных картин. Интерферометры.

6.2.Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка.

Тема 7. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

7.1.Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Экспериментальное обоснование основных идей квантовой физики. Опыты Франка и Герца, Штерна и Герлаха.

7.2.Постулаты Бора. Линейчатые спектры атомов. Энергия и импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона.

7.3.Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Квантовое состояние. Волновая функция и ее статистический смысл. Уравнение Шредингера. Стационарные состояния. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Прохождение частицы над барьером. Объяснение туннельного эффекта.

7.4.Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д.И Менделеева.

7.5.Атомное ядро. Строение и феноменологические модели ядра. Ядерные реакции. Радиоактивные превращения ядер. Цепная реакция деления. Термоядерная реакция. Реакция синтеза.

Тема 8.СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА 8.1. Статистический и термодинамический методы. Макроскопические

параметры. Уравнение состояния. Давление с точки зрения молекулярнокинетической теории. Молекулярно-кинетический смысл температуры.

6

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

8.2.Функции распределения. Распределение Максвелла. Средняя кинетическая энергия частицы. Распределение Больцмана.

8.3.Экспериментальные данные о диффузии, внутреннем трении и теплопроводности в газах, жидкостях и твердых телах. Эффективное сечение рассеяния, средняя длина свободного пробега молекул в газе. Молекулярнокинетическая теория явлений переноса в идеальном газе.

8.4.Статистическое описание квантовой системы. Принцип тождественности частиц. Распределение Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака.

8.5.Электропроводность металлов. Носители тока в металлах. Недостаточность классической электронной теории. Электронный Ферми-газ в металле. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов. Зонная структура энергетического спектра электронов. Заполнение зон. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории.

8.6.Колебания кристаллической решетки. Теплоемкость кристаллов при низких и высоких температурах. Модели Эйнштейна и Дебая.

Контрольные работы

Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал. Решение задач является проверкой степени усвоения студентами теоретического курса, а рецензии на работу помогают ему доработать и правильно усвоить различные разделы курса физики. Контрольные работы выполняются в период между сессиями и отдаются на кафедру физики для проверки не позднее, чем за 15 дней до начала сессии.

Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной теме, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами. Прежде чем приступить к решению той или иной задачи, необходимо разобраться в ее содержании и поставленных вопросах.

Контрольные работы для инженерно-технических специальностей, включенных в данное пособие, распределены следующим образом:

–физические основы механики. Элементы специальной теории относительности.Механические колебания и волны;

–гидродинамика, основы термодинамики;

–электростатика и постоянный ток;

–электромагнетизм;

–волновая оптика, квантовая физика;

–статистическая физика, атомная физика.

Номер варианта контрольной работы выбирается студентом по последней цифре в зачетной книжке. Таблицы вариантов по каждой части физики представлены после приложений в конце методического пособия.

Решенные задачи следует оформить так, как указано ниже.

При наличии значительных ошибок и неправильных решений работа возвращается студенту для исправлений. После исправления работа отправляется на кафедру физики на повторное рецензирование. Защита контроль-

7

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

ных работ происходит в виде собеседования по решенным задачам на консультациях во время сессии.

Требования к оформлению контрольной работы

1. Контрольная работа оформляется в отдельной тетради. Титульный лист оформляется следующим образом:

Контрольная работа по физике №… “ Название к.р.”

Проверил……………………………

Фамилия, Имя, Отчество преподавателя

“ Зачтено” дата……………. роспись……….

2.Каждая задача оформляется с начала нового листа. Записывается полностью текст задачи так, как он приведен в методичке.

3.Все, содержащиеся в задаче данные, которые могут быть представлены в виде математических соотношений, должны быть записаны в колонке под заголовком “ Дано”.

4.Величины, выраженные через внесистемные единицы, должны быть выражены через единицы системы СИ. Численное значение всех величин должно быть представлено в нормализованном виде: (1÷10)10 n.

5.Решению задачи должно предшествовать изображение физических явлений и процессов, происходящих в данной задаче. На рисунке, чертеже или блок-схеме должны быть указаны характерные параметры данной задачи, известные и искомые величины.

6.Задачу рекомендуется решить сначала в общем виде, т.е. только в буквенных обозначениях, поясняя при написании формул буквенные обозначения. Решение задачи должно содержать краткие пояснения основных этапов. Значение фундаментальных физических констант должно быть приведено с указанием численного значения размерности в системе СИ.

7.Затем в полученную формулу для искомой величины подставить численные значения каждого из параметров задачи и записать ответ.

8.Полученное значение искомой величины должно быть проанализировано с точки зрения вероятности ее попадания в интервал возможных значений.

Данный перечень требований должен быть применен к каждой из

задач!

9. В конце контрольной работы, после решения всех указанных в маршруте задач, необходимо привести список использованной литературы.

Контрольные работы, оформленные без соблюдения правил, а также работы, выполненные не по своему варианту, зачтены не будут.

8

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Физика : учебное пособие [для технических направлений бакалавриата заочной формы обучения] / сост.: В. И. Богданов, С. К. Корнейчук, О. Ю. Штрекерт

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

Кинематика

• Положение материальной точки в пространстве задается радиусомвекторомr :

координат.

9

Вологодский государственный университет. Научная библиотека