Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

П Р И Л О Ж Е Н И Я

Молекулярная физика и термодинамика

Глава 7. Основные понятия молекулярной физики

7.1.Масса и размеры молекул.

7.2.Параметры термодинамических систем. Состояние системы. Процесс.

7.3.Основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

7.4.Температура.

7.5.Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы идеального газа.

Контрольные вопросы к гл. 7.

Глава 8. Элементы статистической физики

8.1.Элементарные сведения из теории вероятностей.

8.2.Распределение молекул по скоростям.

8.3.Наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости молекул.

8.4.Барометрическая формула.

8.5.Распределение энергии молекулы по степеням свободы.

Контрольные вопросы к гл. 8.

Глава 9. Первое начало термодинамики

9.1.Внутренняя энергия системы молекул. Работа в термодинамике. Количество теплоты.

9.2.Первое начало термодинамики.

9.3.Применение первого начала термодинамики для идеального газа. Политропные процессы.

9.4.Анализ изопроцессов идеального газа с помощью первого начала термодинамики.

9.5.Ограниченность молекулярно-кинетической теории теплоемкости идеального газа.

9.6.Невозможность вечного двигателя первого рода.

Контрольные вопросы к гл. 9.

Глава 10. Тепловые машины. Второе начало термодинамики

10.1.Обратимые и необратимые процессы и циклы.

10.2.Тепловая машина и ее термический КПД.

10.3.Цикл Карно.

10.4.Второе начало термодинамики. Энтропия.

10.5.Основные свойства энтропии.

10.6.Статистический смысл второго начала термодинамики. Контрольные вопросы к гл. 10.

774

П р и л о ж е н и е 10.1

Глава 11. Явления переноса в газах

11.1.Столкновения молекул.

11.2.Диффузия.

11.3.Теплопроводность.

11.4.Вязкость жидкостей и газов.

11.5.Связь коэффициентов переноса. Контрольные вопросы к гл. 11.

Глава 12. Реальные газы

12.1.Молекулярные силы.

12.2.Уравнение Ван-дер-Ваальса.

12.3.Изотермы реального газа.

12.4.Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля—Томсона. Контрольные вопросы к г. 12.

Темы практических занятий

Предлагается 144 задачи по следующим темам.

1.Кинематика материальной точки и твердого тела.

2.Законы Ньютона.

3.Импульс. Закон сохранения импульса.

4.Работа и энергия. Закон сохранения механической энергии.

5.Законы сохранения механической энергии и импульса.

6.Динамика вращательного движения твердого тела.

7.Закон сохранения момента импульса.

8.Закон сохранения механической энергии применительно к сложному движению твердого тела.

9.Законы идеальных газов. Основное уравнение кинетической теории газов.

10.Статистический метод в молекулярной физике.

11.Первое начало термодинамики.

12.Второе начало термодинамики.

13.Явления переноса в газах.

Перечень лабораторных работ

1.Изучение динамики поступательного и вращательного движений по установке «Машина Атвуда».

2.Изучение законов сохранения при соударении шаров.

3.Изучение законов сохранения на модели копра.

4.Изучение плоского движения твердого тела с помощью маятника Максвелла.

5.Изучение законов сохранения на модели пушки.

6.Изучение динамики вращательного движения на крестообразном маятнике (маятник Обербека).

775

ПР И Л О Ж Е Н И Я

7.Изучение крутильных колебаний на унифилярном подвесе. Определение моментов инерции твердых тел.

8.Изучение колебаний математического маятника.

9.Изучение колебаний физического маятника.

10.Измерение скорости пули баллистическим методом.

11.Измерение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении.

12.Определение отношения молярных теплоемкостей cp/cV газов.

13.Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.

14.Определение удельной теплоты и изменения энтропии при кристаллизации олова.

Содержание ч. II «Электричество и магнетизм»

Содержание теоретического материала

Введение

Электростатика

Глава 1. Электростатическое поле в вакууме

1.1.Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона.

1.2.Напряженность электрического поля. Силовые линии.

1.3.Суперпозиция электростатических полей.

1.4.Работа сил электростатического поля. Разность потенциалов. Потенциал.

1.5.Связь напряженности и потенциала. Градиент скалярного поля.

1.6.Теорема Остроградского—Гаусса для электростатического поля в вакууме.

1.7.Примеры использования теоремы Остроградского—Гаусса.

Контрольные вопросы к гл. 1.

Глава 2. Электрическое поле в диэлектриках

2.1.Диполь в электрическом поле.

2.2.Поляризация диэлектриков. Типы диэлектриков.

2.3.Количественные характеристики поляризации. Поляризованность.

2.4.Связанные заряды на поверхности диэлектрика.

2.5.Теорема Остроградского—Гаусса для электростатического поля в диэлектриках.

2.6.Условия на границе диэлектрических сред.

Контрольные вопросы к гл. 2.

Глава 3. Проводники в электростатическом поле. Энергия электростатического поля

3.1.Проводники в электростатическом поле.

3.2.Электроемкость. Конденсаторы.

3.3.Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии.

3.4.Теорема Остроградского—Гаусса в дифференциальной форме. Уравнение Пуассона.

Контрольные вопросы к гл. 3.

776

П р и л о ж е н и е 10.1

Постоянный электрический ток

Глава 4. Постоянный электрический ток

4.1.Электрический ток и условия его существования.

4.2.Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности.

4.3.Закон Ома. Сопротивление проводников.

4.4.Основные представления классической электронной теории электропроводности металлов.

4.5.Закон Ома для неоднородного участка цепи. Электродвижущая сила. Контрольные вопросы к гл. 4.

Электромагнетизм

Глава 5. Магнитное поле постоянного тока

5.1.Магнитная индукция. Закон Био—Савара—Лапласа.

5.2.Поток магнитной индукции. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.

5.3.Движение зарядов в магнитном и электрическом полях. Эффект Холла.

5.4.Действие магнитного поля на проводник и контур с током. Закон Ампера.

5.5.Работа сил магнитного поля по перемещению проводника и контура с током. Контрольные вопросы к гл. 5.

Глава 6. Электромагнитная индукция. Энергия магнитного поля

6.1.Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея—Максвелла.

6.2.Индукционный ток. Индукционный заряд. Вихревое электрическое поле.

6.3.Самоиндукция. Индуктивность.

6.4.Взаимная индукция.

6.5.Токи при размыкании и замыкании цепей, содержащих индуктивность.

6.6.Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии.

Контрольные вопросы к гл. 6.

Глава 7. Магнитное поле в веществе

7.1.Магнитное поле в веществе.

7.2.Описание поля в веществе. Типы магнетиков.

7.3.Преломление линий магнитной индукции.

7.4.Магнитные моменты атомов и молекул.

7.5.Диамагнетизм.

7.6.Парамагнетизм.

7.7.Ферромагнетизм.

Контрольные вопросы к гл. 7.

Глава 8. Электрические колебания

8.1.Собственные гармонические колебания в колебательном контуре.

8.2.Затухающие колебания в колебательном контуре.

8.3.Вынужденные колебания в последовательном колебательном контуре. Контрольные вопросы к гл. 8.

777

П Р И Л О Ж Е Н И Я

Глава 9. Уравнения Максвелла. Электромагнитное поле

9.1.Первое уравнение Максвелла в интегральной форме.

9.2.Второе уравнение Максвелла в интегральной форме. Ток смещения.

9.3.Система уравнений Максвелла в интегральной форме.

9.4.Дивергенция и ротор векторного поля.

9.5.Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме. Контрольные вопросы к гл. 9.

Глава 10. Электромагнитные волны

10.1.Волновое уравнение.

10.2.Плоская электромагнитная волна.

10.3.Свойства электромагнитных волн.

10.4.Энергия электромагнитного поля.

10.5.Излучение диполя.

Контрольные вопросы к гл. 10.

Темы практических занятий

Предлагается 144 задачи по следующим темам.

1.Расчет электрических полей методом суперпозиции. Расчет силы, действующей на заряд в электрическом поле.

2.Связь напряженности и потенциала электрического поля.

3.Расчет электрических полей с помощью теоремы Гаусса.

4.Электрическое поле в диэлектриках.

5.Проводники в электрическом поле.

6.Электроемкость. Энергия электрического поля.

7.Расчет магнитной индукции поля постоянного тока в вакууме.

8.Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

9.Действие магнитного поля на проводник и контур с током.

10.Магнитный поток. Работа перемещения проводника с током в магнитном поле.

11.Электромагнитная индукция.

12.Самоиндукция. Взаимная индукция. Энергия магнитного поля.

Перечень лабораторных работ

1.Измерение основных параметров периодических электрических сигналов.

2.Исследование электростатического поля плоского конденсатора.

3.Определение относительной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика.

4.Изучение электростатического поля в неоднородном диэлектрике.

5.Определение электроемкости конденсатора методом периодической зарядки

иразрядки.

6.Изучение закона Ома для участка цепи, содержащего ЭДС.

7.Измерение магнитной индукции на оси соленоида и короткой катушки.

8.Определение удельного заряда электрона.

778

Пр и л о ж е н и е 10.1

9.Изучение действия магнитного поля на проводник с током.

10.Изучение намагничивания ферромагнетиков.

11.Изучение затухающих электрических колебаний.

12.Изучение вынужденных электрических колебаний в колебательном контуре.

Содержание ч. III «Оптика. Атомная физика»

Содержание теоретического материала

Вступление

В1. Законы геометрической оптики.

В2. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. В3. Плоская электромагнитная волна.

В4. Плотность потока энергии.

В5. Монохроматичность световых волн. В6. Когерентность световых волн.

Волновая оптика

Глава 1. Интерференция света

1.1.Световой вектор. Интенсивность света.

1.2.Условия максимума и минимума интерференции.

1.3.Связь между разностью фаз и разностью хода. Оптическая разность хода.

1.4.Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников.

1.5.Способы получения когерентных волн.

1.6.Отражение от параллельных поверхностей.

1.7.Линии равного наклона.

1.8.Линии равной толщины.

1.9.Кольца Ньютона.

1.10.Слой с нулевой и слой с высокой отражательной способностью.

Глава 2. Дифракция световых волн

2.1.Принцип Гюйгенса—Френеля.

2.2.Метод зон Френеля.

2.3.Зонные пластинки.

2.4.Дифракция Френеля на отверстии и диске.

2.5.Дифракция Фраунгофера.

2.6.Дифракция Фраунгофера на щели.

2.7.Дифракция Фраунгофера на одномерной решетке.

2.8.Характеристики спектральных приборов.

2.9.Дифракция на пространственной решетке. Голография.

779

П Р И Л О Ж Е Н И Я

Глава 3. Дисперсия света

3.1.Фазовая и групповая скорости.

3.2.Области нормальной и аномальной дисперсии.

3.3.Элементарная теория дисперсии.

3.4.Поглощение и рассеяние света.

Глава 4. Поляризация света

4.1.Естественный и поляризованный свет.

4.2.Типы поляризации.

4.3.Способы поляризации света. Поляризационные приборы.

4.4.Двойное лучепреломление. Призма Николя.

4.5.Искусственная оптическая анизотропия.

Квантовая оптика

Глава 5. Тепловое излучение

5.1.Особенности и характеристики теплового излучения.

5.2.Поглощательная способность. Абсолютно черное тело.

5.3.Закон Кирхгофа и его следствия.

5.4.Закон Стефана—Больцмана. Закон смещения Вина.

5.5.Формулы Вина и Рэлея—Джинса для теплового излучения.

5.6.Квантовая гипотеза и формула Планка.

5.7.Вывод из формулы Планка формулы Вина и формулы Рэлея—Джинса.

5.8.Оптическая пирометрия.

Глава 6. Фотоны

6.1.Рентгеновское излучение.

6.2.Фотоэффект.

6.3.Фотоны и их свойства.

6.4.Эффект Комптона.

6.5.Единство волновых и корпускулярных свойств света.

Атомная физика

Глава 7. Боровская теория атома водорода

7.1.Опыты Резерфорда. Модели атома.

7.2.Постулаты Бора.

7.3.Боровская теория водородоподобного атома.

780

П р и л о ж е н и е 10.1

Глава 8. Элементы квантовой механики

8.1.Гипотеза де Бройля. Волны де Бройля.

8.2.Экспериментальное обоснование волновых свойств вещества.

8.3.Принцип неопределенности Гейзенберга.

8.4.Волновая функция и ее свойства.

8.5.Уравнение Шредингера и особенности его решений.

8.6.Частица в одномерной потенциальной «яме» бесконечной глубины.

8.7.Понятие о туннельном эффекте.

8.8.Линейный гармонический осциллятор.

8.9.Квантовая теория атома водорода.

Глава 9. Физика атомов и молекул

9.1.Магнитные свойства атомов. Эффект Зеемана.

9.2.Спин электрона. Опыты Штерна и Герлаха.

9.3.Принцип неразличимости микрочастиц. Фермионы и бозоны.

9.4.Квантовые статистики.

9.5.Принцип Паули. Распределение электронов по энергетическим уровням атома.

Физика атомного ядра

Глава 10. Атомное ядро

10.1.Состав и характеристики атомного ядра. Изотопы.

10.2.Взаимодействие нуклонов. Ядерные силы.

10.3.Энергия связи ядра. Дефект массы.

10.4.Строение тяжелых ядер.

Глава 11. Радиоактивность. Ядерные реакции

11.1.Естественная радиоактивность.

11.2.Законы радиоактивного распада.

11.3.Ядерные реакции.

11.4.Реакция деления урана.

11.5.Реакция синтеза атомных ядер. Управляемый термоядерный синтез.

Темы практических занятий

Предлагается 30 задач по следующим темам.

1.Интерференция света.

2.Дифракция света.

3.Дисперсия света.

4.Поляризация света.

5.Квантовая оптика.

6.Строение атома водорода.

781

П Р И Л О Ж Е Н И Я

Перечень лабораторных работ

1.Изучение интерференции в опыте с бипризмой Френеля.

2.Измерение радиуса кривизны линзы с помощью наблюдения колец Ньютона.

3.Изучение дифракции на щели.

4.Определение длины волны излучения с помощью дифракционной решетки.

5.Исследование дисперсии в стеклянной призме.

6.Изучение поляризации света.

7.Изучение теплового излучения твердого тела.

8.Изучение основных закономерностей внешнего фотоэффекта.

Указания по изучению теоретического материала

Конспект лекций отражает основное содержание изучаемых разделов физики

ибазируется на материалах лекций, читаемых на кафедре общей физики и ядерного синтеза МЭИ, и учебном пособии И.В. Савельева «Курс общей физики».

Из меню темы вызывается та часть конспекта (рис. П.10.1.7), которая соответствует данной теме. Далее с помощью навигатора можно выбрать для чтения любой пункт конспекта. После закрытия конспекта происходит возврат в ту точку курса, откуда конспект вызывался.

Приступая к изучению теоретического материала, сначала ознакомьтесь с планом

ивводной частью темы, обратите внимание на место темы в ближайшем смысловом блоке более высокого порядка (разделе, части или всей дисциплины). Затем бегло просмотрите содержание основного материала и контрольные вопросы.

Рис. П.10.1.7. Часть конспекта лекций

782

П р и л о ж е н и е 10.1

Далее приступайте к первичному ознакомлению с основным материалом темы. Бегло, без возврата к только что прочитанному, просмотрите текст первого вопроса. Он разбит на смысловые куски, каждый из которых состоит из одного или нескольких абзацев. Ключевые слова и фразы в абзацах выделены другим шрифтом по отношению к общему. Еще раз чуть медленнее, чем при беглом просмотре, читайте тот же текст с целью установить связь между смысловыми кусками. Таким же образом проведите первичное ознакомление со всеми другими вопросами темы. Вести записи и возвращаться к прочитанному не следует. Не огорчайтесь, если что-то окажется малопонятным.

Начинайте углубленное ознакомление с основным материалом темы. Читайте по смысловым кускам материал первого вопроса. Установите смысловые связи между ключевыми фразами абзацев первого куска и выделите его основную мысль, затем

— второго и так далее до завершения текста, относящегося к первому вопросу. Прочитайте название вопроса. Свяжите основные мысли смысловых кусков между собой и решите, получен ли таким образом ответ на подпроблему общей проблемы, ради разрешения которой изучается вся тема. Составьте в тетради конспект по первому вопросу темы, в котором воспроизводите рисунки, запишите вывод формул, формулировки законов и определения физических величин. Как и с первым вопросом темы, проделайте такую же работу по углубленному ознакомлению со всеми остальными ее вопросами. Для лучшего запоминания материала рекомендуется читать конспект вслух (по крайней мере, формулировки законов и определения физических величин). Это поможет не только лучше понять и запомнить материал, но и позволит с большей уверенностью воспроизвести его при ответе на экзамене.

При изучении ч. I «Механика. Молекулярная физика и термодинамика» выполните обучающие тесты по отработке материала лекций (рис. П.10.1.8, П.10.1.9).

Рис. П.10.1.8. Воспроизведение теоретического материала

783