204

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К КОНТРОЛЬНЫМ ЗАДАНИЯМ

ПО ФИЗИКЕ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ-ЗАОЧНИКОВ

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ

СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Министерство образования РФ Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра физики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К КОНТРОЛЬНЫМ ЗАДАНИЯМ ПО ФИЗИКЕ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ-ЗАОЧНИКОВ

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ

СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Составители Л.Г.Туренко, М.В.Пластинина

Омск Издательство СибАДИ

2003

1

УДК 53:621.3 ББК 22.31

Рецензент д-р физ.-мат. наук, профессор ОмГИС В.В.Пластинин

Работа одобрена методической комиссией ИЭФ СибАДИ в качестве методических указаний к самостоятельной работе студентов-заочников инженерноэкономических специальностей, изучающих курс физики в течение одного семестра.

Методические указания к контрольным заданиям по физике для студентовзаочников инженерно-экономических специальностей / Сост.: Л.Г. Туренко, М.В.

Пластинина. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. – 36 с.

Предлагаемые методические указания имеют целью помочь студентамзаочникам инженерно-экономических специальностей изучить и освоить курс физики и выполнить предусмотренные учебным планом контрольные работы.

Методические указания содержат: 1) введение; 2) общие методические указания к выполнению контрольных работ; 3) рабочую программу курса; 4) учебные материалы по четырем разделам курса: «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электричество», «Колебания, волновая и квантовая оптика». В каждом разделе даются пояснения к рабочей программе и приведены основные формулы, необходимые для решения задач; 5) 12 заданий для контрольных работ в 10 вариантах.

Табл. 1. Библиогр.: 7 назв.

Издательство СибАДИ, 2003

2

Введение

Физика как основа прогрессивных технологий

Физика является основой всех естественных и технических наук. Она изучает наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, а также формы ее существования.

Нет четкой грани между физикой и другими естественными науками (химией, биологией, экологией, медициной и др.), поскольку все они в свое время, как ветви от ствола дерева, выросли из физики.

Каждое крупное открытие в физике связано с возникновением новых отраслей техники. Так, открытие законов механики привело к возникновению теоретической механики, теории и машин и механизмов; экспериментальные и теоретические исследования в области электромагнетизма заложили основу всей электротехники; законы термодинамики привели к разработке тепловых двигателей. Открытие электромагнитных волн послужило началом развития радио- и телетехники; изучение квантовых свойств материи привело к созданию лазерной техники; исследование атомного ядра − к появлению ядерной энергетики. Достижения в области физики твердого тела позволили создать современную электронику и элек- тронно-вычислительные машины, без которых в настоящее время невозможен прогресс в любой отрасли науки и техники.

Фундаментальные законы физики, описывающие вещественные и энергетические процессы, связанные с физическими телами, представляют собой идеализированные схемы. Но базируясь на развитом математическом аппарате, на точном эксперименте и на мощном логическом способе познания, эти законы являются основой развития новых технологий. В связи с этим инженерно-прикладное название физики – «теоретические основы прогрессивных тенологий». Технология, как известно, наука о ремесле (техно – ремесло, логос – учение).

Энергия Информация

Однако любая современная технология шире, чем учение о ремесле, она пронизана взаимодействием физических (естественных), психологических (интуиция, творческий подъем) и общественных законов. На всех этапах изучения физики и других естественно-технических наук, неизбежно связанных с идеализацией, отвлечениями, накопление информации

3

должно не отвлекать, а способствовать понятию сложнейших взаимоотношений физических и духовных сил в природе.

Одним из основных теоретических методов физики является научная абстракция. Любое явление в природе и технике характеризуется множеством факторов, и, чтобы установить взаимосвязь между ними на каждом этапе познания, приходится от некоторых факторов отвлекаться, их не учитывать. Так, в законах механики физика использует понятие «материальная точка», т.е. не учитываются форма и размеры тела в условиях поставленной задачи. Из школьного курса известно, что законы сохранения справедливы для изолированных систем. Но все системы в реальном мире, как правило, не изолированные, а открытые.

Классическая физика (её началом считается открытие в 1686−1687 г. Ньютоном законов динамики) с её детерминизмом, возможностью точно рассчитать состояние любой системы в определенное время привела к на- учно-техническому прогрессу. Однако научно-технический прогресс и потребительский характер технологий отдалили физику от явлений в естественном мире и породили размежевание двух культур − естественнонаучной и социогуманитарной. В настоящее время мы наблюдаем глобальный кризис в экономике, политике, образовании, культуре. Во многом этот кризис обусловлен именно прагматичным отношением к науке, неспособностью объединить набор фрагментарных точных знаний об отдельных явлениях природы с их взаимосвязью, с субъективночувственным восприятием этих явлений человеком. На сегодняшний день крупными учеными всего мира признано существование двух культур, обладающих разными языками, критериями и ценностями: культуры естествознания с доминантой научного метода (в основе ее лежит физика) и культуры гуманитарной, включающей искусство, литературу, общественные науки. Эти культуры, к сожалению, не столько дополняют друг друга, сколько противоречат, разделяя людей на физиков и лириков. А ведь так было не всегда. Этому размежеванию не более 300 лет. Многие проблемы человечества могли бы быть разрешены при условии объединения частей изначально единой культуры. Становится очевидной необходимость привнесения в сферу науки нравственно-этических категорий, характерных для древних традиций Запада и Востока в опыте единения человека с природой. А гуманитариям необходимо принять от точных наук умение конкретно осмысливать накопленные знания.

Современная физика должна сыграть первостепенное значение в формировании научного мировоззрения, состоящего в целостном видении мира, свойственном нашим предкам. Синтез мудрости древних цивилизаций, естественных и гуманитарных наук − это путь к новому пониманию природы, человека и общества.

Основными задачами курса физики в вузах являются:

4

1. Создание основ теоретической подготовки в области физики, позволяющей будущим инженерам-экономистам ориентироваться в потоке научной и технической информации.

2.Формирование научного мировоззрения, в частности, правильного понимания границ применимости различных физических теорий и умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных и теоретических методов исследования.

3.Выработка приемов и навыков решения конкретных задач из разных областей физики, помогающих в дальнейшем решать инженерные задачи.

4.Ознакомление с исследовательской аппаратурой, приобретение навыков экспериментальных исследований различных физических явлений.

Целью настоящих методических указаний является оказание помощи студентам-заочникам инженерно-экономических специальностей в изучении вузовского курса физики.

Материал курса физики ориентирован на односеместровое изучение

ив соответствии с рабочей программой разделен на четыре части: 1. Механика. 2. Молекулярная физика и термодинамика. 3. Электричество. 4. Колебания, волновая, квантовая оптика. Перед каждой частью даются пояснения к рабочей программе и приводятся основные законы и формулы.

1. Общие методические указания

Основной формой работы студента-заочника является самостоятельное изучение учебного материала. Для помощи в этой работе кафедра физики организует чтение лекций, проведение лабораторных работ и консультаций. Поэтому процесс изучения физики состоит из следующих этапов:

1)проработки установочных и обзорных лекций;

2)самостоятельной работы над учебниками и учебными пособиями;

3)выполнении контрольных работ;

4)прохождении лабораторного практикума;

5)сдачи экзамена.

При самостоятельной работе над учебным материалом рекомендуется составлять конспект, в котором следует записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения основных физических понятий и сущность физических явлений. Изучать курс физики следует систематически, так как в противном случае довольно большой по объему материал не может быть усвоен.

5

Контрольные работы не только позволяют закрепить теоретический материал, но и развивают методологические навыки, необходимые для изучения других дисциплин.

В течение одного семестра изучения курса физики студент-заочник должен выполнить одну контрольную работу, состоящую из 12 задач (по 3 задачи на каждый раздел). Вариант задания определяется последней цифрой шифра студента.

При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие правила:

1.Указывать на титульном листе номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес.

2.Каждую задачу надо начинать с отдельной страницы, условие задачи необходимо переписывать полностью, при этом все числовые значения должны быть представлены в системе СИ.

3.Решение каждой задачи должно сопровождаться краткими, но исчерпывающими пояснениями, в которых должны быть отражены:

а) указания, какие законы исследуются в данной задаче; б) объяснение выбора формул для решения;

в) для пояснения решения задач там, где это необходимо, аккуратно сделать чертеж;

г) пояснения математических операций, с помощью которых делается переход от одних формул к другим;

д) при получении расчетной формулы для решения конкретной задачи приводить её вывод.

4.Константы физических величин и другие справочные данные следует выбирать из таблиц.

5.Вначале надо решить задачу в общем виде, затем подставить в расчетную формулу числовые значения и, произведя вычисления, получить численный ответ, оценив его реальность.

6.Необходимо убедиться в правильности единицы измерения полученной величины, для этого надо подставить в рабочую формулу наименования единиц измерения исходных величин.

7.При вычислениях следует пользоваться правилами приближенных вычислений, точность расчета определять числом значащих цифр исходных данных.

8.Контрольные работы должны быть сданы на проверку не позднее чем за неделю до экзаменационной сессии.

6

2. Рабочая программа

Введение

Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Проблема двух культур, пути её разрешения. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики.

1. Физические основы механики

Предмет механики. Кинематика и динамика. Классическая механика, квантовая механика, релятивистская механика.

1.1. Кинематика

Физические модели: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело, сплошная среда. Кинематическое описание движения. Прямолинейное движение точки. Скорость и ускорение. Движение точки по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Нормальное и тангенциальное ускорения.

1.2. Динамика прямолинейного движения

Уравнения движения. Масса и импульс. Первый закон Ньютона и понятия инерциальной системы отсчета. Второй закон Ньютона как уравнение движения. Виды сил. Третий закон Ньютона и закон сохранения импульса. Работа и механическая энергия. Закон сохранения энергии.

1.3. Динамика вращательного движения

Момент силы и момент импульса. Уравнение моментов. Моменты инерции материальной точки и твердого тела. Основной закон динамики вращательного движения. Закон сохранения момента импульса. Работа, кинетическая энергия и мощность при вращательном движении.

1.4. Элементы механики сплошных сред

Общие свойства жидкостей и газов. Уравнение неразрывности потока. Уравнение Бернулли и следствия из него. Режим течения потока. Критерий Рейнольдса. Понятие о моделировании технологических процессов.

7

2. Молекулярная физика и термодинамика

Статистический и термодинамический методы исследования макроскопических объектов.

2.1. Молекулярная (статистическая) физика

Опытные подтверждения молекулярно-кинетической теории. Определение массы и размеров молекул. Макроскопические параметры. Уравнение состояния идеального газа. Давление газа с точки зрения молеку- лярно-кинетической теории. Основное уравнение молекулярнокинетической теории газов. Распределение Максвелла.

2.2. Основы термодинамики

Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия идеального газа. Работа расширения. Молярная и удельная теплоемкости. Уравнение Р. Майера. Работа газа в изотермическом процессе. Адиабатический процесс, уравнение Пуассона.

2.3. Явления переноса

Понятие о физической кинетике. Общее уравнение всех массо- и теплообменных процессов. Средняя длина свободного пробега молекул. Диффузия в газах и жидкостях. Теплопроводность. Вязкость газов и жидкостей.

2.4. Реальные газы

Отклонения газов от идеальности. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реальных газов. Фазовые переходы.

3. Электричество

Предмет классической электродинамики. Идея близкодействия. Дискретность электрического заряда.

3.1. Электростатика

Закон Кулона. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции. Теорема Остроградского–Гаусса. Потенциал. Работа элек-

8

тростатического поля. Связь напряженности с потенциалом. Электроемкость. Ёмкость плоского конденсатора. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.

3.2. Постоянный электрический ток

Условия появления и существования электрического тока. Законы Ома и Джоуля–Ленца в дифференциальной форме.

3.3. Магнитное поле

Сила Ампера и сила Лоренца. Вектор магнитной индукции. Силовые линии магнитного поля. Закон Био–Савара–Лапласа. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Магнитный поток. Работа магнитного поля по перемещению в нем проводника с током. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Самоиндукция, индуктивность. Энергия магнитного поля. Плотность магнитной энергии.

Основы теории Максвелла. Скорость распространения электромагнитных возмущений в вакууме и в любой среде.

4. Колебания, волновая и квантовая оптика

Понятие о колебательных процессах и волнах. Единый подход к теории колебаний различной природы. Дуализм волновой и квантовой теории излучения.

4.1. Кинематика и динамика гармонических колебаний

Уравнение колебаний. Векторные диаграммы.

4.2. Гармонические осцилляторы

Математический, физический и пружинный маятники, колебательный контур, превращение энергии в контуре.

4.3. Волновые процессы

Уравнение волны. Волны продольные и поперечные. Связь разности фаз с разностью хода. Стоячие волны. Плотность потока энергии. Вектор Умова. Электромагнитные волны, скорость их распространения. Диапазон

9