МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ,

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

ФГБОУ ВПО Ивановский институт ГПС

Кафедра физики и теплотехники

Т.В. Фролова, Е.С. Титова

ФИЗИКА. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ

К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ

(для слушателей факультета заочного обучения)

Иваново 2014

УДК 531

Фролова Т.В., Титова Е.С. Физика. Методические указания и задания к контрольной работе: методические указания. – Иваново: ООНИ ЭКО ФГБОУ ВПО ИвИ ГПС МЧС России, 2014. – 122 с.

Методические указания составлены в соответствии с Федеральным Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования.

Основной материал программы курса в пособии распределен на семь разделов: механика, основы молекулярной физики и термодинамики, электродинамика, механические колебания и волны, оптика, элементы физики атома, молекул и твердых тел, строение атомного ядра. В каждом из них даны основные формулы, примеры решения задач и контрольные задания. Кроме того, в пособии даны общие методические указания, сведения о приближенных вычислениях и некоторые справочные таблицы.

Пособие предназначено для слушателей факультета заочного обучения специальности 280705.65 «Пожарная безопасность», выполняющих контрольные работы по дисциплине «Физика».

Рецензенты:

Доцент кафедры физики и нанотехнологий Ивановского государственного политехнического университета канд. хим. наук доцент А.Ю. Ильина

Старший преподаватель кафедры химии, теории горения и взрыва Ивановского института ГПС МЧС России канд. хим. наук Л.Н. Чеснокова

Методическое пособие рассмотрено

и рекомендовано к публикации

кафедрой физики и теплотехники

Протокол № 18 от « 27 » марта 2014 г.

Печатается по решению Редакционно-издательского совета института

Протокол № 3 от «19» июня 2014 г.

© ФГБОУ ВПО ИвИ ГПС МЧС России, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………….… …	4
Требования к уровню освоения дисциплины…………………………..……..	5
Требования на экзамене…………………………………………………………….	5
Оформление и порядок выполнения контрольных работ…..…………………….	6
Методические указания к решению задач……………………………………........	7
Содержание дисциплины…………………………………………………………...	9
Рекомендуемая литература…………………………..……………………………..	11
Таблица вариантов………………………………………………………………….	12
Основные формулы……………………………..…………………………..………	13
Раздел I. Механика……………………………………...…………………………...	13
Кинематика…………………………………………………………………………..	13
Динамика материальной точки и тела, движущихся поступательно……….......	17
Динамика вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси…	21
Элементы механики жидкостей и газов…………………………………………...	27
Раздел II. Основы молекулярной физики и термодинамики……………………..	30
Молекулярное строение вещества и газовые законы…………………..…......	30
Молекулярно-кинетическая теория газов……………………………………….....	32
Элементы статистической физики………………………………………………....	33
Физические основы термодинамики……………………………………….......	34
Реальные газы…………………………………………………………………….….	37
Раздел III. Электродинамика……..……………………………………………........	42
Электростатика в вакууме и веществе……………………………………….…….	42
Постоянный электрический ток………………………………………………........	53
Магнетизм……………………………………………………………………….......	60
Раздел IV. Механические колебания и волны…………………………………….	70
Раздел V. Оптика…......……………………………………………………………..	75
Геометрическая оптика………………………………………………………….….	75
Фотометрия………………………………………………………………………….	78
Интерференция и дифракция света………………………………………………..	79
Дисперсия и поляризация света…………………………………………….….......	82
Законы теплового излучения и явление фотоэлектрического эффекта……........	84
Раздел VI. Элементы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел...….…	87
Теория водородоподобного атома…………………………………………….........	87
Волновые свойства частиц……………………………………………………..…	88
Раздел VII. Строение атомного ядра………………………………..………….	91
Строение ядра…………………………………………………………………….….	91
Энергия связи ядра и дефект масс…………………………………………………	91
Радиоактивность…………………………………………………………………….	92
Ядерные реакции…………………………………………………………………	92
Контрольная работа № 1……………………………………………...…………	96
Контрольная работа № 2……………………………………………...…………	106
Литература…………………………………………………………………………..	116
Заключение………………………………………………………………………….	117
Приложения………………………………………………………………………….	118

ВВЕДЕНИЕ

Основной формой обучения слушателя-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедра физики и теплотехники организует чтение лекций, практические занятия и лабораторные работы. Поэтому процесс изучения физики состоит из следующих этапов:

1) проработка установочных и основных лекций;

2) самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;

3) выполнение контрольных работ;

4) прохождение лабораторного практикума;

5) сдача зачетов и экзаменов.

Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал курса. Решение задач контрольных работ является проверкой степени усвоения обучающимся теоретического курса, а рецензии на работу помогают ему доработать и правильно освоить различные разделы курса физики. Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами, приведенными в конце методических указаний.

Решение конкретных физических задач является необходимой практической основой при изучении курса физики. Оно способствует приобщению обучающегося к самостоятельной творческой работе, учит анализировать изучаемые явления, выделять главные факторы, обуславливающие то или иное явления, отвлекаясь от случайных и несущественных деталей. Благодаря этому решение задач приближается к модели научного физического исследования.

Цель данного пособия – на примере решенных задач показать, как последовательно подходить к конкретной задаче и как выбирать метод ее решения.

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Основные требования заключаются в достижении общекультурных и профессиональных компетенций, позволяющих ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающих возможность использования новых физических принципов в области пожарной и техносферной безопасности. Для достижения этих целей обучающиеся должны быть ознакомлены основными фундаментальными понятиями, моделями, законами и теориями классической и современной физики; природой физических явлений; механизмами воздействия физических факторов на человека и биосферу; методами исследования физических явлений.

По окончании изучения курса физики слушатель-заочник должен

знать:

– основные понятия, законы и модели механики, электричества и магнетизма, колебаний и волн, квантовой физики, статистической физики и термодинамики;

уметь:

– использовать основные приемы обработки экспериментальных данных;

– решать типовые задачи по основным разделам физики, используя методы математического анализа, использовать физические законы при анализе и решении проблем;

обладать навыками:

– владения методами экспериментального исследования в физике.

ТРЕБОВАНИЯ НА ЭКЗАМЕНЕ

Одной из основных задач профессиональной подготовки для выпускника Ивановского института ГПС МЧС России является осуществление систематизации и синтеза знаний, полученных в процессе всего обучения, и построение на этой основе целостного представления о физическом единстве и многообразии мира. Эта работа начинается при подготовке к экзамену по дисциплине «Физика».

При проведении испытаний (экзаменов) по физике основное внимание должно быть обращено на понимание слушателем-заочником сущности физических явлений и физических законов, на умение истолковывать физический смысл величин и понятий, а также на умение решать физические задачи и выполнять простейший лабораторные работы по основным разделам программы.

Экзаменующийся должен уметь пользоваться СИ при расчетах и знать единицы основных физических величин.

Слушатель-заочник должен владеть важнейшими категориями научного знания, логикой генезиса научного познания: от явлений и фактов к моделям и гипотезам, далее к выводам, законам, теориям их проверке и применениям, понимать взаимосвязь теории и эксперимента, уметь планировать проведение эксперимента по проверке гипотез, делать выводы по экспериментальным данным, уметь определять показания физических приборов и рассчитывать погрешности измерений, строить графики по таблицам результатов экспериментов с учетом погрешностей измерений.

Экзаменующийся должен проявить осведомленность в вопросах, связанных с историей важнейших открытий в физике и ролью отечественных и зарубежных ученых в развитии физики.

Ответ слушателя-заочника на итоговом экзамене определяется оценками «отлично», «хорошо», «удовлетворительно» и «неудовлетворительно».

Оценка «отлично» ставится за полный правильный ответ, если слушатель строит ответ логично, обнаруживает высокую степень сформированности целостного осмысления физического единства и многообразия мира, понимание места и значения рассматриваемых закономерностей в общей системе законов физики, глубокие знания основных понятий, представляет качественные соотношения между физическими величинами, указывает прикладное использование обсуждаемых закономерностей.

Оценка «хорошо» ставится за правильный ответ в котором представлены значительная степень сформированности целостного осмысления физического единства и многообразия мира, понимание места и значения рассматриваемых закономерностей в общей системе законов физики, знание и понимание обсуждаемого раздела физики, представлены качественные соотношения между физическими величинами, раскрыт их физический смысл. Однако в содержании ответа были отмечены небольшие пробелы в знаниях при ответе на некоторые вопросы.

На «удовлетворительно» оценивается неполный ответ, который дает слушатель с опорой на наводящие вопросы экзаменатора. Содержание ответа свидетельствует о недостаточных знаниях экзаменующегося.

«Неудовлетворительно» оценивается слабый ответ слушателя, который даже при наводящих вопросах не выказывает понимание и не в состоянии предложить объяснение соответствующих явлений.

ОФОРМЛЕНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

За время изучения курса физики слушатель-заочник должен представить в учебное заведение две контрольные работы. На первом курсе обучения слушатель-заочник выполняет контрольную работу по темам: «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», на втором – «Электростатика. Законы постоянного тока», «Оптика», «Атомная и ядерная физика». При выполнении контрольных работ необходимо придерживаться указанных правил. Работы, выполненные без соблюдения данных правил не зачитываются и возвращаются слушателю на переработку. Общие правила оформления письменных работ слушателями факультета заочного обучения подчиняются требованиям ГОСТ 7.1-2003 и ГОСТ 2.105-95.

• Каждую контрольную работу следует выполнять в отдельной тетради синими чернилами, оставляя поля на страницах тетради для замечаний рецензента.

• На титульном листе необходимо указать номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы слушателя, шифр зачетной книжки и домашний адрес (см. приложение 1).

• Номера задач, которые слушатель должен включить в свою контрольную работу, определяются по таблице вариантов.

• Условия задач в контрольной работе необходимо переписать полностью без сокращений.

• Решения задач располагают в порядке номеров, указанных в задании, сохраняя при этом номер задачи. Каждое задание контрольной работы выполняется с нового листа.

• В конце контрольной работы указываются учебники или учебные пособия, которыми слушатель пользовался при изучении курса физики и выполнении контрольных заданий. Это делается для того, чтобы рецензент в случае необходимости мог указать, что следует слушателю изучить для завершения контрольной работы.

• Если контрольная работа не зачтена, слушателю необходимо исправить все ошибки и недочеты, отмеченные рецензентом. Для внесения исправлений рекомендуется оставлять в конце тетради несколько чистых листов. Вносить исправления в текст работы после рецензирования строго запрещается.

• Слушатель обязан представить переработанную контрольную работу на повторное рецензирование вместе с незачтенной работой.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Систематическое самостоятельное решение задач является необходимым условием успешного изучения физики, так как помогает уяснить физический

смысл явлений, закрепляет в памяти формулы, прививает навыки практического применения теоретических знаний. Физические задачи весьма разнообразны и дать единый «рецепт» их решения невозможно. Однако, как правило, наиболее целесообразный порядок решения задач следующий.

1. Внимательно прочитать условие, установить, какие физические явления определяют содержание задачи, каким законам они подчиняются и какими математическими соотношениями могут быть описаны.

2. Записать все данные и искомые величины в стандартной форме.

3. Выразить все данные в единой системе единиц (предпочтительна система СИ).

4. При необходимости, сделать чертёж, схему или рисунок с обозначениями данных задачи. Это обязательно, например, при решении задач с векторными величинами, задач с электрическими цепями и т. п.

5. Поняв условие и уяснив, что надо найти, необходимо построить цепочку логических рассуждений, идя от неизвестного к известному.

6. При решении необходимо обратить внимание на то, чтобы одни и те же физические величины в условии задачи, данных и решении были обозначены одинаково, а различные отличались друг от друга (по крайней мере, индексами). Все нестандартные обозначения, в том числе обозначения буквами с индексами, должны быть расшифрованы.

7. Решить задачу в общем виде – получить «рабочую формулу», то есть выразить искомую величину через данные в формуле (без промежуточных вычислений). Это позволяет получить дополнительную информацию об особенностях изучаемого явления, а также проверить правильность проведенных действий на основе анализа размерностей.

8. Произвести вычисления. Решив задачу, подумайте над полученным результатом: реален ли он? Иногда элементарная арифметическая ошибка может привести к грубейшей физической ошибке.

9. Помните правила действий над приближенными числами: точность ответа не должна превышать точности исходных данных.

10. При подстановке в расчетную формулу, а также при записи ответа числовые значения величин следует записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 6750 необходимо записать 6,75·10³, вместо 0,00333 записать 3,33·10^{– 3} и т.п.

11. Вычисления по расчетной формуле проводятся с соблюдением правил приближенных вычислений. Как правило, окончательный ответ следует записывать с тремя значащими цифрами. Это относится и к случаю, когда результат получен с применением калькулятора.

12. Решения задач следует сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. Механика

Тема 1. Кинематика. Основа кинематики. Система отсчета. Кинематические уравнения движения материальной точки. Скорость и ускорение, связь линейных и угловых величин.

Тема 2. Динамика. Динамика движения тел. Уравнение движения. Масса и импульс. Законы Ньютона. Силы в механике.

Работа, энергия, мощность. Законы сохранения в механике.

Тема 3. Механика твердого тела, жидкостей и газов. Основные характеристики вращательного движения. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Момент инерции материальной точки (твердого тела). Момент импульса материальной точки (твердого тела). Закон изменения вращательного импульса твердого тела. Закон сохранения момента импульса твердого тела. Кинетическая энергия вращательного движения твердого тела.

Механика жидкостей и газов. Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли и следствия из него. Внутреннее трение. Виды вязкости и методы ее определения.

Тема 4. Элементы специальной теории относительности

Основы релятивистской механики. Постулаты специальной теории относительности. Преобразо­вания Лоренца и следствия из них. Релятивистское выражение для кинетической энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Соотношение между полной энергией и импульсом частицы.

Раздел 2. Основы молекулярной физики и термодинамики

Тема 5. Молекулярно-кинетическая теория идеального и реального газов. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Явления переноса. Классическая статистика: распределение Максвелла для идеального газа; распределение Больцмана, барометрическая формула. Среднее число столкновений и длина свободного пробега. Кинетические явления.

Реальные газы. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа. Особенности жидкого и твердого состояний вещества.

Тема 6. Основы термодинамики. Закон равномерного распределения молекул по степеням свободы. Работа газа при изменении его объема. Первое начало термодинамики. Теплоемкость.

Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс. Энтропия. Второе начало термодинамики. Статистическое толкование второго начала термодинамики. Третье начало термодинамики. Цикл Карно и его КПД для идеального газа. Статистический и термодинамический методы исследования.

Фазовые равновесия и фазовые превращения. Конденсированное состояние. Фазовые переходы 1 и 2 рода.

Раздел 3. Электродинамика

Тема 7. Электричество. Электрический заряд и закон его сохранения. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Поле неподвижных зарядов и напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Поле диполя. Понятие потенциала электрического поля. Теорема Остроградского-Гаусса. Электрические свойства вещества. Классическая теория электропроводности металлов.

Характеристики электрического тока. Работа и мощность тока. Электродвижущая сила. Законы Ома. Правила Кирхгофа. Закон Джоуля-Ленца.

Тема 8. Магнетизм. Поле движущихся электрических зарядов и его характеристики. Закон Био-Савара-Лапласа. Сила Лоренца. Закон Ампера.

Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Взаимная индукция. Индуктивность контура. Самоиндукция. Вихревые токи.

Магнитные свойства вещества. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля в среде. Теорема Гаусса.

Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме, материальные уравнения классического электромагнетизма.

Раздел 4. Физика колебаний и волн

Тема 9. Физика колебаний и волн. Гармонический и ангармонический осцилляторы. Сложение гармонических колебаний. Колебания в механике и электродинамике. Колебательный контур. Энергия колебательного контура. Свободные затухающие колебания (механические и электромагнитные). Вынужденные колебания (механические и электромагнитные). Квазистационарные переменные токи.

Механические и электромагнитные волны. Кинетика волновых процессов. Элементы Фурье-оптики.

Раздел 5. Оптика

Тема 10. Элементы геометрической и волновой оптики. Волновая природа света. Законы геометрической оптики. Интерференция света. Дифракция света.

Поляризация света: закон Малюса, закон Брюстера. Дисперсия света.

Раздел 6. Элементы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел

Тема 11. Квантовая физика. Квантовая природа света. Квантовая гипотеза Планка. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Формула Релея-Джинса. Формула Планка.

Фотоэлектрический эффект. Законы Столетова. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотоэлементы и их применение.

Эффект Комптона. Явление светового давления.

Тема 12. Квантовая механика. Атом водорода по Бору. Постулаты Бора. Линейчатый спектр атома водорода. Опыты Франка и Герца.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Формула де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Волновая функция и ее статистический смысл. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими стенками. Квантование энергии и импульса частицы.

Квантовые числа. Энергетический спектр атомов и молекул. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Спектры атома и молекул.

Раздел 7. Элементы физики атомного ядра

Тема 13. Ядерная физика. Состав ядра и его характеристики. Основные характеристики элементарных частиц. Кварковый состав нейтрона и протона. Свойства и природа ядерных сил. Закономерности и происхождение альфа-, бета- и гамма-излучения атомных ядер. Общая характеристика и виды радиоактивности.

Реакции деления ядер. Законы сохранения в ядерных реакциях. Цепная ядерная реакция. Проблема управления реакцией деления ядер. Реакции синтеза атомных ядер. Термоядерные реакции.

Фундаментальные взаимодействия и их типы.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

а) основная литература

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – 18-е изд., стер. – М.: Академия, 2010. - 560 с.

2. Трофимова, Т.И. Курс физики. Задачи и решения: учебное пособие для студентов вузов / Т.И. Трофимова, А.В. Фирсов. – 3-е изд., стер. – М.: Академия, 2010. – 592с.

3. Савельев, И.В. Курс общей физики: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. Учебное пособие для втузов. – СПб.: Лань, Т. 2, 2008. – 496 с.

4. Савельев, И.В. Сборник вопросов и задач по общей физике: учебное пособие. 5-е изд., стер. / И.В. Савельев. – СПб.: Лань, 2007. – 288 с.

б) дополнительная литература

1. Кропотова, Н.А. Теоретические задачи повышенной сложности по физике. Часть I: учебное пособие для курсантов, студентов и слушателей специальности 280705 Пожарная безопасность, направлению подготовки 280700 Техносферная безопасность / Н.А. Кропотова, А.А. Разумов. – Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2011. – 140 с.

2. Кропотова, Н.А. Теоретические задачи повышенной сложности по физике: строение вещества. Часть II: учебное пособие для курсантов, студентов и слушателей специальности 280705 Пожарная безопасность, направлению подготовки 280700 Техносферная безопасность / Н.А. Кропотова, А.А. Разумов. – Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2013. – 129 с.

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ

Последняя цифра з/книжки	Предпоследняя цифра зачетной книжки нечетная Номера задач
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0	1, 21, 41, 61, 81, 101, 2, 22, 42, 62, 82, 102, 3, 23, 43, 63, 83, 103, 4, 24, 44, 64, 84, 104, 5, 25, 45, 65, 85, 105, 6, 26, 46, 66, 86, 106, 7, 27, 47, 67, 87, 107, 8, 28, 48, 68, 88, 108, 9, 29, 49, 69, 89, 109, 10, 30, 50, 70, 90, 110
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0	Предпоследняя цифра зачетной книжки четная Номера задач
	11, 31, 51, 71, 91, 111, 12, 32, 52, 72, 92, 112, 13, 33, 53, 73, 93, 113, 14, 34, 54, 74, 94, 114, 15, 35, 55, 75, 95, 115, 16, 36, 56, 76, 96, 116, 17, 37, 57, 77, 97, 117, 18, 38, 58, 78, 98, 118, 19, 39, 59, 79, 99, 119, 20, 40, 60, 80, 100, 120

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ