методичка з фізики

3

Передмова

Найбільш ефективною перевіркою засвоєння студентом знань з фізики є вміння застосувати ці знання до розв’язування задач. Навчити майбутнього інженера переводити реальні ситуації, що виникають на виробництві та в повсякденному житті, на мову фізичних законів та знаходити їхнє вирішення

– головна мета вивчення дисципліни «Фізика» в технічному навчальному закладі. Тому підготовці методичних та дидактичних матеріалів для проведення практичних занять та виконання контрольних (індивідуальних) робіт кафедра фізики завжди приділяла значну увагу.

Зокрема, були видані методичні вказівки для виконання індивідуальних контрольних робіт студентами заочної форми навчання, відповідно, рівень завдань було дещо спрощено [1-5]. Наступне видання збірника задач з фізики [6] було зорієнтоване на прив’язку курсу фізики до будівельного виробництва. Задачі цього посібника формувались на основі конкретних пристроїв і процесів, які безпосередньо застосовувались на виробництві та в будівельному матеріалознавстві. Необхідність описувати реальні пристрої призводила до різкого зростання текстів-формулювань самих задач, ускладнюючи тим самим розуміння фізичної суті. Тому, подібні задачі в навчальному процесі ми використовували частково.

Видання збірників завдань 2000 − 2002 рр. [7,9] було зорієнтоване на покращення засвоєння студентами фізики і містило задачі з підвищеним рівнем складності. Значна кількість завдань була евристичного характеру. Використання цих посібників у наступні роки показало чималі складнощі наших студентів з використанням завдань самостійно. Відсутність вступного екзамену з фізики в технічні навчальні заклади почало даватися взнаки. Наші студенти задовільно можуть впоратися хіба що з завданнями видання [8] для підготовчих відділень.

Входження нашої країни в болонський процес обумовило багато особливостей у підходах до навчального процесу. Зокрема, це стосується тих видів навчальної роботи, на які орієнтований даний посібник. Тобто, тепер ми повинні здійснити підбір задач, орієнтованих на майбутнього інженера, здатного до чіткого виконання розрахунків при розумінні фізичної суті. Така основна мета даного видання. Підкреслимо, що посібник формувався з урахуванням усіх попередніх доробок кафедри фізики, отже вибір задач був досить широкий. Деякі дуже прості задачі (задачі-запитання) та складні задачі евристичного характеру, були вилучені та замінені новими.

4

Входження в болонський процес обумовило і деякі особливості в структурі збірника завдань. Ми врахували, що даний посібник розрахований на використання його як студентом, так і викладачем. Викладач використовує його під час підготовки та проведення практичних занять, у той час як студенту він необхідний значно частіше: на практичних заняттях; індивідуальних заняттях під контролем викладача (ІРК); під час самопідготовки; виконання індивідуальної контрольної роботи. Тому структуру посібника ми намагались зробити максимально простою, зрозумілою і корисною студентові.

По-перше, наведено робочу програму дисципліни «Фізика», що поділена на змістовні модулі та теми відповідно до вимог болонського процесу. По-друге, щоб максимально допомогти студентові, наведено два розділи, орієнтовані виключно на нього. Якщо студент має бажання, то уважно вивчивши та виконавши рекомендації розділів «Як навчитись розв’язувати …» та «Як правильно оформляти задачі та контрольну роботу…», він може засвоїти всі основні «секрети фізичної кухні» розв’язування задач.

І по-третє, п’ять глав – це п’ять основних змістовних модулів. У першому розділі відповідної глави наведений короткий теоретичний довідник до кожного модуля. Звісно, цей матеріал недостатній для повного засвоєння відповідного модуля, тому що в ньому дано лише основні поняття, закони та рівняння, які необхідно знати при розв’язуванні задач. У такому разі при самопідготовці до практичних занять студентові необхідно використовувати один з рекомендованих посібників або підручників, наведених у списку літератури. Другим розділом кожної глави є, власне, збірник завдань для індивідуальної контрольної роботи з відповідного змістовного модуля. Є, правда, одна особливість: у модулі №4 «Коливальні та хвильові процеси, оптика» виділено теоретичний матеріал та задачі на окрему тему – «Геометрична оптика та оптичні вимірювання», яка для напрямів підготовки «Інженерна геодезія», «Землевпорядкування та кадастр» може бути виділена в окремий модуль.

Традиційно для збірників задач наш посібник також завершується довідковими таблицями фізичних величин, властивостей матеріалів, характеристик процесів і т.п., знання яких необхідне при розв’язуванні окремих задач.

Крім простоти в структурі, ми намагались забезпечити простоту в користуванні посібником ще й тим, що ліквідували складну нумерацію

5

формул та рисунків і, відповідно, посилання на них. Зокрема в короткому теоретичному довіднику до кожного модуля ми зовсім не використовуємо нумерацію, враховуючи те, що кожний закон та рівняння має свою назву. Тобто, будь-яке посилання на співвідношення, рівняння чи закон відбувається за їхніми назвами, що є додатковим елементом фіксації знань. Рисунки, на які іноді необхідно посилатись при формулюванні задач, нумеруються лише в межах свого модуля. У розділі, де наведені приклади розв’язування задач, рисунки не нумеруються взагалі, а використані формули мають нумерацію лише в межах даної задачі.

Деякі елементи спрощення структури посібника мають особливе методичне навантаження. Зокрема, задачі в межах одного змістовного модуля не поділені на окремі теми і мають нумерацію з двох чисел: перше число від 1 до 5 – це номер модуля, а друге є наскрізним номером задачі в межах даного модуля. Це зручно при комп’ютерному формуванні варіантів контрольних робіт. А от виділення тем було б незручністю і додатковою підказкою, а ми орієнтуємо студента на те, щоб фізику явища він визначав виключно за умовою задачі. Крім того, при формулюванні задач ми намагались якомога менше вживати літерні позначення фізичних величин, називаючи лише фізичні терміни та наводячи їхні величини. Це також є елементом активізації вивчення фізики, побудованому на засвоєнні термінології та лексики навчальної дисципліни. Щоб ліквідувати спроби розв’язування задач без розуміння їхнього фізичного змісту (наприклад, методом підбору для отримання числової відповіді), ми не наводимо відповідей до тих задач, що входять у другий розділ кожної глави і використовуються для контрольних робіт.

6

Робоча програма дисципліни «Фізика»

Модуль 1 «Механіка»

Тема 1.1. Вступ до фізики. Предмет фізики. Зв’язок фізики з іншими науками. Взаємозв’язок фізики та техніки. Комп’ютери та моделювання в фізиці. Структура та мета викладання курсу фізики. Фізичні величини та їхні вимірювання. Міжнародна система одиниць.

Вступ до механіки. Предмет механіки. Класична, релятивістська та квантова механіки. Фізичні моделі механіки. Простір та час. Системи відліку.

Тема 1.2. Елементи кінематики. Переміщення, шлях. Швидкість та прискорення. Нормальне та тангенціальне прискорення. Рівняння руху матеріальної точки. Поступальний та обертальний рухи. Рух по колу. Кутова швидкість та кутове прискорення, їхній зв’язок із лінійними величинами. Рівняння руху точки по колу.

Тема 1.3. Динаміка точки і системи матеріальних точок. Закони Ньютона. Сила. Маса. Інерціальні системи відліку. Сили інерції. Рух у неінерціальних системах відліку. Закон динаміки системи матеріальних точок. Центр мас. Імпульс. Закон збереження імпульсу. Рух тіл змінної маси.

Тема 1.4. Динаміка обертального руху. Ступені вільності руху абсолютно твердого тіла. Момент сили. Момент інерції. Закон динаміки обертального руху. Умови рівноваги твердого тіла. Центр ваги. Види рівноваги. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу. Уявлення про гіроскопи.

Тема 1.5. Закон збереження енергії. Енергія, робота та потужність.

Кінетична енергія поступального та обертального рухів. Потенціальна енергія. Енергія пружно деформованого тіла. Потенціальна енергія матеріальної точки у гравітаційному полі. Гравітаційне поле та його характеристики. Зв’язок напруженості поля з його потенціалом. Потенціальні сили та консервативні системи. Закон збереження енергії у механіці. Пружний та непружний удари тіл та частинок.

Тема 1.6. *Елементи механіки суцільних середовищ. Механічні властивості твердих тіл, рідин та газів. Види деформацій, пружність та повзучість. Закон Гука.

Ламінарна та турбулентна течії. Циркуляція. Сили в’язкого тертя. Рівняння нерозривності та Бернуллі для стаціонарної течії ідеальної рідини. Течія рідин та газів по трубах. Рух твердих тіл у рідинах та газах. Уявлення про теорію подібності.

7

Тема 1.7. Елементи спеціальної теорії відносності. Принцип відносності класичної механіки. Перетворення координат Галілея та їхні інваріанти. Передумови спеціальної теорії відносності. Постулати Ейнштейна. Перетворення координат Лоренца. Релятивістський закон додавання швидкостей. Відносність довжин та проміжків часу. Інтервал між подіями. Основний закон релятивістської динаміки. Релятивістський імпульс. Взаємозв’язок маси та енергії. Границі застосовності класичної механіки.

Модуль 2 «Молекулярна фізика»

Тема 2.1. Молекулярно-кінетична теорія речовини. Атомно-

молекулярна будова речовини. Статистичний та термодинамічний методи дослідження. Макроскопічні стани та параметри. Рівняння стану. Рівняння стану ідеального газу. Кінетична енергія молекул, її розподіл по ступенях вільності. Абсолютна температура.

Тема 2.2. Елементи статистичної фізики. Розподіл молекул ідеального газу за їхніми швидкостями. Барометрична формула, розподіл Больцмана. Зіткнення молекул, середня довжина вільного пробігу молекул. Поведінка газів за умов низького тиску. Вакуумна техніка. Явища переносу. Способи теплопередачі. Уявлення про фізичну кінетику.

Тема 2.3. Основи термодинаміки. Теплота та робота. Внутрішня енергія системи. Перше начало термодинаміки. Термодинамічні діаграми. Ізопроцеси в газах. Адіабатичний процес. Теплоємність газів.

Оборотні та необоротні процеси. Термодинамічні цикли, робочі цикли теплових та холодильних машин. Цикл Карно. Ентропія. Друге начало термодинаміки та його статистичне розуміння. Теорема Нернста.

Тема 2.4. Реальні гази. Сили та потенціальна енергія міжмолекулярної взаємодії. Агрегатні стани речовини. Реальні гази. Рівняння Ван дер Ваальса. Метастабільні стани. Критична температура. Зрідження газів. Насичена та ненасичена пара. Вологість повітря.

Тема 2.5.* Рідини та тверді тіла. Уявлення про близький та дальній порядок. Поверхневий натяг, капілярні явища. Уявлення про адсорбцію та поверхнево активні речовини. Будова полімерів, їхні властивості.

Властивості кристалів, будова їхніх кристалічних решіток. Дефекти кристалічних решіток. Рідкі кристали. Композиційні матеріали. Уявлення про старіння та довговічність матеріалів.

Тема 2.6. Фазові переходи. Фази та фазові перетворення. Фазові діаграми, рівняння Клапейрона-Клаузіуса. Потрійна точка. Фазові переходи

8

другого роду. *Сплави та розчини. Розчинність газів. Закони Рауля та Генрі. Осмотичний тиск.

Модуль 3. Електрика та магнетизм

Тема 3.1. Електростатичне поле. Електростатичне поле у вакуумі, в речовині. Електричний заряд. Закон Кулона. Вектор напруженості електростатичного поля, принцип суперпозиції. Потік вектора напруженості електростатичного поля. Теорема Гауса. Електричне поле заряджених нескінченних нитки та площини.

Робота сил електростатичного поля. Потенціал електростатичного поля. Різниця потенціалів. Циркуляція напруженості електростатичного поля. Зв’язок напруженості з потенціалом.

Тема 3.2. Електричне поле в діелектриках та провідниках.

Електричний диполь. Поведінка диполя в однорідному та неоднорідному електричному полі. Полярні та неполярні діелектрики. Поляризація діелектриків, характеристики їх поляризованого стану. Вектор електричного зміщення. Сегнетоелектрики. П’єзоелектричний ефект.

Провідники в електростатичному полі. Електроємність провідника, конденсатора. З’єднання конденсаторів. Енергія зарядженого конденсатора. Густина енергії електростатичного поля.

Тема 3.3. Постійний електричний струм. Постійний електричний струм, елементи фізичної електроніки. Постійний електричний струм, умови його існування. Сила та густина струму. ЕРС джерела струму. Закон Ома для ділянки кола в інтегральній та диференціальній формах. Опір провідників. Закон Ома для повного кола. Розгалужені кола. Правила Кірхгофа.

Робота та потужність електричного струму. Закон Джоуля-Ленца.

Тема 3.4.* Електричний струм в різних середовищах.

Електропровідність металів та розчинів електролітів. Застосування електролізу. Електричний струм у газах, самостійний газовий розряд, уявлення про плазму. Контактні електричні явища та термоелектронна емісія. Електровакуумні прилади.

Тема 3.5. Магнітне поле. Вектор магнітної індукції. Закон Ампера. Контур зі струмом в магнітному полі. Магнітний момент контура зі струмом. Принцип роботи електродвигунів.

Сила Лоренца. Рух заряджених частинок у магнітному полі. Прискорювачі заряджених частинок. Магнітні пастки.

9

Магнітне поле в речовині. Характеристики намагніченого стану. Магнетики. Феромагнетики та їхнє застосування.

Тема 3.6. Магнітне поле струмів. Закон Біо-Савара-Лапласа. Магнітне поле прямого та колового провідників зі струмом. Взаємодія струмів. Закон повного струму, магнітне поле соленоїда та тороїда. Вихровий характер магнітного поля.

Тема 3.7. Електромагнітні явища. Потік вектора магнітної індукції. Явище електромагнітної індукції, закон Фарадея, правило Ленца. Генератори електричного струму. Явище самоіндукції, індуктивність. Перехідні процеси у колі з індуктивністю. Взаємна індуктивність, трансформатори.

Робота при переміщенні провідника зі струмом у магнітному полі. Енергія провідника зі струмом. Об’ємна густина енергії магнітного поля.

Тема 3.8. Основи електродинаміки. Рівняння Максвелла в інтегральній та диференціальній формах. Струм зміщення. Диференціальне рівняння електромагнітної хвилі.

Модуль 4. Коливальні та хвильові процеси, оптика

Тема 4.1. Гармонічні коливання. Механічні та електромагнітні коливальні процеси та системи. Пружинний маятник. Математичний та фізичний маятники. Електричний коливальний контур. Диференціальні рівняння коливальних процесів. Гармонічні коливання та їхні характеристики. Подання гармонічних коливань у комплексній формі. Перетворення енергії при гармонічних коливаннях.

Додавання коливань. Биття. Фігури Ліссажу.

Тема 4.2. Згасаючі та вимушені коливання. Диференціальне рівняння згасаючих коливань та його розв’язок. Характеристики згасання. Аперіодичні процеси.

Вимушені коливання. Диференціальне рівняння вимушених коливань. Амплітуда та фаза вимушених коливань. Резонанс механічних систем. *Резонанс у колах змінного струму.

Автоколивання. Релаксаційні та параметричні коливання. Подання несинусоїдальних коливань у вигляді рядів Фур’є.

Тема 4.3. Механічні хвилі. Загальні закономірності хвильових процесів. Поздовжні та поперечні хвилі. Рівняння синусоїдної хвилі. Диференціальне хвильове рівняння.

10

Швидкість механічних хвиль у газах, рідинах та твердих тілах. Потік енергії хвилі. Звукові хвилі, їхні основні характеристики. Ультразвук та його використання. Область чутності. Акустика приміщень та споруд.

Тема 4.4. Електромагнітні хвилі. Диференціальне рівняння електромагнітної хвилі. Вектор Пойнтінга. Шкала електромагнітних хвиль. Передача інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

Фазова та групова швидкості. Дисперсія хвиль. Аномальна дисперсія. Ефект Допплера та його використання. Стоячі хвилі.

Тема 4.5.* Геометрична оптика. Світлові хвилі. Закони геометричної оптики. Оптичні деталі та прилади. Елементи фотометрії. Характеристики джерел світла. Поглинання світла. Оптичні прилади для геодезичних вимірювань.

Тема 4.6. Інтерференція та дифракція світла. Когерентність. Часова та просторова когерентність. Принцип Гюйгенса-Френеля. Інтерференція на пластині та клині. Інтерферометри. Застосування інтерференції.

Дифракція Френеля. Метод зон Френеля. Дифракція Фраунгофера на щілині та дифракційній решітці. Уявлення про голографію. Дифракція на кристалічній решітці. Роздільна здатність оптичних приладів.

Тема 4.7. Поляризація світла. Поляризація при відбиванні та заломленні світла. Закон Брюстера. Подвійне променезаломлення в кристалах. Поляризаційні пристрої. Закон Малюса. Штучна анізотропія. Ефект Керра. Застосування поляризованого світла в техніці.

Модуль 5. Основи квантової фізики та фізики ядра

Тема 5.1. Квантова оптика. Теплове випромінювання та люмінесценція. Випромінювання абсолютно чорного тіла. Закон Кірхгофа. Закони Стефана - Больцмана та Віна. Утруднення класичної теорії теплового випромінювання. Квантова гіпотеза та формула Планка для спектра абсолютно чорного тіла. Оптична пірометрія.

Тема 5.2. Корпускулярно-хвильовий дуалізм випромінювання.

Зовнішній фотоефект, його закономірності. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Використання фотоефекту в техніці. Фотони, їхня маса та імпульс. Світловий тиск. Ефект Комптона та його пояснення. Корпускулярно-хвильовий дуалізм електромагнітного випромінювання.

Тема 5.3. Хвильові властивості матерії. Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини. Формула де Бройля. Співвідношення невизначеностей

11

Гейзенберга та хвильові властивості мікрочастинок. Границі застосовності класичної механіки.

Рівняння Шредінгера. Хвильова функція, її фізичний зміст. Приклади розрахунку поведінки електрона в найпростіших полях. Квантування енергії електрона.

Тема 5.4. Будова атома. Теорія Бора. Рівняння Шредінгера для атома водню. Квантування енергії, механічного та магнітного моментів орбітального руху електрона. Квантові числа та їхній фізичний зміст. Спін електрона. Спектр атома водню та воднеподібних атомів.

Тема 5.5. Квантова електроніка та спектроскопія. Принцип Паулі.

Розподіл електронів в атомах за енергетичними станами. Періодична система елементів. Оптичні та глибинні електрони. Рентгенівські спектри атомів. Фізична природа хімічного зв’язку. Енергетичні рівні та спектри молекул.

Взаємодія світла з квантовими системами: поглинання, спонтанне та вимушене резонансне випромінювання. Принцип дії лазерів, їхні типи та практичне використання.

Тема 5.6. Основи електроніки. Елементи зонної теорії твердих тіл. Статистики Фермі − Дірака та Бозе − Ейнштейна. Рівень Фермі. Заповнення енергетичних зон.

Метали, діелектрики та напівпровідники з точки зору зонної теорії. Провідність твердих тіл. Надпровідність та її пояснення. Куперівські пари. Ефекти Джозефсона. Електропровідність напівпровідників. Донорні та акцепторні напівпровідники. Контакти напівпровідників різних типів та напівпровідників з металами. Діод. Напівпровідникові прилади. Мікросхеми. Основи нанотехнологій.

Акустичні та оптичні коливання кристалічної решітки. Фонони. Теплоємність кристалів. Природа ферота антиферомагнетизму.

Тема 5.7. Ядро. Склад, будова та характеристики атомних ядер. Основні властивості ядерних сил. Моделі ядер.

Тема 5.8. Ядерні реакції та радіоактивність. Ядерні реакції, їхній механізм та класифікація. Закони збереження в ядерних реакціях. *Одержання та використання радіоактивних ізотопів.

Закон радіоактивного розпаду. Активність нукліду. Закономірності альфата бета-розпадів. Нейтрино.

Тема 5.9. Основи ядерної безпеки. Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною. Поглинання радіоактивних випромінювань. Радіаційна стійкість матеріалів. Доза та потужність дози опромінення,

12