213

Министерство образования и науки Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева

А.А. Жаксылыкова, в.А. Паюк курс лекций по физике

Часть 1

Учебно-методическое пособие для студентов технических специальностей

Усть-Каменогорск

2009

УДК 530

Жаксылыкова А.А. Курс лекций по физике. Часть 1: Учебно-методическое пособие для студентов технических специальностей / А.А. Жаксылыкова, В.А. Паюк / ВКГТУ. - Усть-Каменогорск, 2009. - 204с.

В пособии излагаются программные материалы базового курса физики по следующим разделам. Первый раздел посвящён современному изложению основ классической механики – кинематики, динамики материальной точки и твердого тела, механики сплошных сред. Во втором разделе рассматриваются основы молекулярной физики и термодинамики. С помощью статистического и термодинамического методов рассмотрены законы и явления, имеющие применения в инженерной практике. В третьем разделе изучаются электростатика, постоянный ток и электромагнетизм. Рассматриваются характеристики электрических и магнитных полей; законы, позволяющие их рассчитывать, а также явления, подтверждающие единство природы и взаимосвязь электрических и магнитных полей.

Предназначено для студентов технических вузов специальностей 050725, 050728, 050729, 050730. Может быть использовано студентами других технических специальностей, учебными планами которых предусмотрено изучение базового курса физики в объёме трёх – четырёх кредитов.

Утверждено методическим советом факультета «Архитектура и строительство»

Протокол № ___ от ________ 2009г.

 Издательство ВКГТУ им. Д. Серикбаева, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

УДК 530 2

7.8 Магнитный поток 178 7

7.9 Работа в магнитном поле 179 7

7.12 Магнитные свойства вещества 188 7

7.13 Понятие о теории Максвелла 199 7

Введение 7

3.4.1 Первый закон Ньютона. 24

3.4.2 Понятие силы, массы, импульса. 25

3.7.4 Консервативные и неконсервативные силы 38

Если тело вращается вокруг произвольной оси, не проходящей через центр тяжести тела (рисунок 25), то его момент инерции можно определить по теореме Штейнера. 47

3.8.4 Вычисление момента инерции некоторых тел 48

3.8.7 Закон сохранения момента импульса 50

Для замкнутой системы тел: 51

Закон сохранения момента импульса является следствием фундаментального свойства пространства – его изотропности. Изотропность пространства проявляется в том, что физические законы движения и свойства замкнутой системы не изменяются при её повороте в пространстве как целого на любой угол, т.е. не зависят от выбора направлений осей координат инерциальной системы отсчёта. 51

3.8.8 Работа внешних сил при вращении твердого тела 51

3.9 Элементы механики жидкостей и газов 52

3.9.1 Основные понятия 52

3.9.3 Уравнение неразрывности 54

3.9.4 Уравнение Бернулли 55

Выделим в текущей струе несжимаемой идеальной жидкости некоторую определенную массу жидкости m, которая протекает первоначально через 55

1.1.1 Измерение давлений 57

Статическое давление это давление жидкости или газа на поверхности обтекаемого тела, поэтому статическое давление можно измерить с помощью манометра установленного перпендикулярно потоку (рисунок 33 ). Полное давление измеряется с помощью трубки Пито, устанавливаемой вдоль потока (рисунок 34).Разность полного и статического давлений, т.е. динамическое давление, измеряется комбинацией соответствующих приборов, которая называется напорной трубкой Прандтля (рисунок 35). Разновидностью этого прибора является трубка Пито-Прандтля, описание которой приводится в следующем параграфе (рисунок 36). 59

3.9.6 Следствия из уравнения Бернулли 59

3.9.8 Вязкость (внутреннее трение) 61

Вязкость (внутреннее трение) — это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Вязкость возникает при движении различных слоёв жидкости (газа) относительно друг друга с различными скоростями. Такая ситуация возникает, например, при движении потока жидкости или газа по трубам. В центре трубы, вдоль её осевой линии, скорость потока максимальна. У стен трубы происходит налипание частиц потока на стенки и скорость жидкости (газа) практически равна нулю (рисунок 39). 61

Когда слои жидкости или газа движутся относительно друг друга с разными скоростями (рисунок 40), то частицы, переходя из одного слоя в другой, переносят и свой импульс. Следовательно, в слое L появляются молекулы с большими скоростями, а в слое М — с меньшими. Взаимодействие этих переходящих молекул с основными молекулами вызывает в слоях изменение импульса: 62

. (3.117) 62

3.9.9 Методы определения вязкости 62

1) Метод Стокса 63

2) Метод Пуазейля 63

4.2 Основные понятия 68

4.3 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов 71

73

. (4.10) 73

4.6 Закон Дальтона 76

4.7.2 Идеальный газ в силовом поле. Барометрическая формула 80

4.7.3 Распределение Больцмана 81

Если система из состояния 1 переводится в состояние 2, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в состояние А, то совершается круговой процесс или цикл. На диаграмме процессов р – V, p – T и др. цикл изображается замкнутой кривой (рисунок 60). 99

4.18 Цикл Карно 102

4.19 Энтропия 105

4.22 Гипотеза о «тепловой смерти» Вселенной 111

4.23 Реальные газы 112

4.23.1 Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. 112

4.23.2 Уравнение Ван-дер-Ваальса 115

4.23.3 График уравнения ван-дер-ваальса 116

4.23.4 Реальные изотермы. Критическая изотерма, критическая точка 117

На рисунке 68 приведены экспериментальные изотермы реального газа (изотермы Эндрюса). Они отличаются от изотерм Ван-дер-Ваальса (см. рисунок 67). Последние при низких температурах имеют минимумы (точка г) и максимумы (точка в ). При некоторой (критической) температуре Т_кр на изотерме имеется только точка перегиба К. При высо­ких температурах (Т > Т_кр) изотермы Ван-дер-Ваальса по­хожи на изотермы идеального газа. На экспериментальных изотермах отсутствуют "волнообразные" участки. Вместо них у реальных изо­терм имеется прямолинейный горизонтальный участок. Рассмотрим более подробно изотерму при Т₄ (см. рисунок 68). Участок а-в изотермы Ван-дер-Ваальса и участок 1 - 2 реальной изотермы практически одинаковы. Это состояние нена­сыщенного пара. Изотермы Ван-дер-Ваальса и реальные ведут себя различным образом в области расслоения на две фазы. Расслоение на две фазы объясняется неустойчивостью од­нородных состояний, отвечающих завитку бвгд (см. рисунок 67). Состояния, соответствующие участкам бв и гд, при известных условиях могут осуществляться. Однако эти со­стояния неустойчивы. Достаточно на участке бв попадания в пар пылинки, чтобы все вещество распалось на две фазы и пе­решло в состояние, изображаемое прямой 2 - 6 на рисунке 68. Подобное состоя­ние называется метастабильным. Вещество в состоянии гд на­зывается пересыщенным паром. 117

4.23.5 Внутренняя энергия реального газа 119

Внутренняя энергия идеального газа – энергия хаотического движения микрочастиц системы. Для ν= молей идеального газа внутренняя энергия равна: 119

4.24 Явления переноса 119

4.24.1 Общая характеристика явлений переноса 119

120

4.24.2 Средняя длина свободного пробега 120

Средняя скорость теплового движения газовых молекул, составляет сотни 120

4.24.3 Диффузия газов 121

4.24.4 Внутреннее трение в газах 125

Внутреннее трение это явление переноса, которое возникает в жидкости или газе при неоднородности скоростей направленного движения отдельных слоёв. Такая ситуация возникает, например при движении газа в трубопроводах. Тепловое движение стремится выровнять эту неоднородность. 125

Внутреннее трение сопровождается направленным переносом импульса. 125

4.24.5 Теплопроводность газов 127

6.1 Основные понятия 158

6.1.1 Электрический ток. Сила и плотность тока 158

6. 2 Закон Ома. Сопротивление проводников 159

6.2.1 Зависимость сопротивления проводника от температуры 160

6.2.2 Последовательное и параллельное соединение проводников 161

7.1 Магнитное поле и его свойства 172

7.2 Закон Био-Савара-Лапласа 176

7.3 Магнитное поле прямолинейного проводника с током 178

7.5 Рамка с током в магнитном поле 179

7.6 Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца 180

7.7 Закон полного тока для магнитного поля в вакууме 182

1.1.2 Магнитное поле соленоида 184

Рассчитаем, применяя теорему о циркуляции, индукцию магнитного поля внутри соленоида. Рассмотрим соленоид длиной l, имеющий N витков, по которому течет ток I (рисунок 108). Длину соленоида считаем во много раз больше, чем диаметр его витков, т. е. рассматриваемый соленоид бесконечно длинный. Экспериментальное изучение магнитного поля соленоида показывает, что внутри соленоида поле является однородным, вне соленоида — неоднородным и очень слабым. На рисунке 108 представлены линии магнитной индукции внутри и вне соленоида. Чем соленоид длиннее, тем меньше магнитная индукция вне его. Поэтому приближенно можно считать, что поле бесконечно длинного соленоида сосредоточено целиком внутри него, а полем вне соленоида можно пренебречь. Для нахождения магнитной индукции выберем замкнутый прямоугольный контур ABCDA как показано на рисунке 108. 184

7.8 Магнитный поток 186

7.9 Работа в магнитном поле 187

Формулы (7.36) справедливы и при перемещении любого контура (не обязательно прямоугольного) в любом неоднородном магнитном поле. 189

7.10 Явление электромагнитной индукции 189

7.10.3 Вращение рамки в магнитном поле 193

7.10.4 Вихревые токи (токи Фуко) 193

7.10.5 Индуктивность контура. Самоиндукция 194

7.11 Энергия магнитного поля 195

7.12 Магнитные свойства вещества 196

Вещества, изменяющие свое состояние под действием магнитного поля, называются магнетиками. Все магнетики можно разделить на три класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Различное влияние магнитного поля на разные вещества объясняется строением их атомов и молекул. С точки зрения магнитных свойств атомы можно рассматривать как совокупность микротоков. Следовательно, они должны создавать свои магнитные поля и откликаться на воздействие внешних магнитных полей. Рассмотрим магнитные свойства атомов. 196

196

7.12.1 Магнитные моменты электронов и атомов 196

7.12.2 Атом в магнитном поле 197

7.12.7 Ферромагнетики и их свойства 204

7.13 Понятие о теории Максвелла 208

В теории Максвелла не рассматривается внутренний механизм явлений, происходящих в среде и приводящий к появлению электрических и магнитных полей. 208

Теория Максвелла рассматривает электрические и магнитные поля, создаваемые макроскопическими зарядами и токами. Расстояния от источников 208

полей до рассматриваемых точек пространства много больше размеров 208

молекул. Таким образом, эта теория макроскопическая. 208

Макроскопические заряды и токи являются совокупностями микроскопических зарядов и токов, создающих микрополя. Поэтому в теории Максвелла рассматриваются усреднённые электрические и магнитные поля. 208

208

1.1.3 Первое уравнение Максвелла 208

Первое уравнение Максвелла является обобщением закона электромагнитной индукции. Согласно Фарадею, переменное магнитное поле вызывает появление в замкнутом проводящем контуре вихревого электрического поля. 208

. 208

Максвелл предложил считать, что вихревое электрическое поле возникает не только в проводящем, но и в любом замкнутом контуре, произвольно проведённом в переменном магнитном поле. Так как контур произвольный, он может быть сколь угодно малым, в пределе его можно стянуть в точку. Тогда справедливо утверждение: 208

переменное магнитное поле в любой точке пространства создаёт вихревое электрическое поле. 209

Если в контуре L кроме ЭДС индукции имеются ещё и другие электродвижущие силы ₁, ₂, ₃,…, _n, то общая ЭДС равна их сумме, и в самом общем виде первое уравнение Максвелла имеет вид: 209

7.13.3 Ток смещения. Второе уравнение Максвелла 209

7 Магнетизм 166

7.1 Магнитное поле и его свойства 172

7.2 Закон Био-Савара-Лапласа 176

7.3 Магнитное поле прямолинейного проводника с током 178

7.4 Закон Ампера 178

7.5 Рамка с током в магнитном поле 179

7.6 Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца 180

7.7 Закон полного тока для магнитного поля в вакууме 182

7.8 Магнитный поток 178

7.9 Работа в магнитном поле 179

7.10.Явление электромагнитной индукции 189

7.11 Энергия магнитного поля 195

7.12 Магнитные свойства вещества 188

7.13 Понятие о теории Максвелла 199

Литература 204

Введение

Базовый курс дисциплины «Физика» состоит из нескольких разделов. Первый раздел посвящен современному изложению основ классической механики – кинематики, динамики материальной точки и твердого тела, механики сплошных сред. Во втором разделе рассматриваются основы молекулярной физики и термодинамики. С помощью статистического и термодинамического методов рассмотрены законы и явления, имеющие применения в инженерной практике. В третьем разделе изучаются электростатика, постоянный ток и электромагнетизм. Рассматриваются характеристики электрических и магнитных полей; законы, позволяющие их рассчитывать, а также явления, подтверждающие единство природы и взаимосвязь электрических и магнитных полей. В четвертом разделе рассматриваются характеристики и общие закономерности колебательного и волнового движения. Использован единый подход к колебаниям и волнам различной физической природы. Следующий раздел посвящен элементам геометрической и волновой оптики. Волновая оптика излагается как часть общего учения о распространении волн. Наряду с общими свойствами отмечаются специфические особенности световых волн и их практические приложения. Шестой раздел посвящён квантовой природе излучения. Рассмотрение законов теплового излучения, с одной стороны, - важный этап в формировании научного мировоззрения студентов, так как с теорией равновесного излучения абсолютно черного тела связан переход от классической физики к квантовой. С другой стороны, студенты знакомятся с практически важными свойствами теплового излучения. Анализ двойственности природы света готовит студентов к восприятию идеи двойственности свойств любой материи, в частности вещества, что является содержанием следующего раздела, посвященного элементам квантовой механики. Рассматриваются волновые свойства микрочастиц, квантово-механическое описание свойств атомов. Даются элементы квантовой статистики и физики конденсированного состояния. В заключительной части излагаются элементы физики атомного ядра и элементарных частиц. Рассматриваются происхождение и свойства радиоактивных излучений, их взаимодействие с веществом.

Несмотря на наличие различных разделов, дается единое изложение современной физики, благодаря чему прослеживается взаимосвязь различных областей этой науки. Особое внимание уделяется рассмотрению физической сущности изучаемых явлений и описывающих их понятий и законов, взаимоотношениям между классической и современной физикой, границам применимости тех или иных физических теорий и законов. Обобщение всего материала достигается благодаря стержневым, фундаментальным принципам, пронизывающим весь курс физики. Это принципы сохранения, элементарности, симметрии, соответствия, единства картины мира.