1273

М.В. Пластинина, Н.А. Иванов, Э.А. Майер, В.В. Акимов

СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

0

Федеральное агентство по образованию РФ Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

М.В. Пластинина, Н.А. Иванов, Э.А. Майер, В.В. Акимов

СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Учебное пособие

Омск Издательство СибАДИ

2006

1

Введение

Целью данного учебного пособия является активизация СРС и повышение эффективности практических занятий.

Весь курс физики разбит на 8 разделов. В каждом разделе приведены основные теоретические вопросы, включаемые в контрольные работы (коллоквиумы), темы и вопросы СРС, экзаменационные вопросы. Даны календарные планы лекций, где указаны темы лекций и освещаемые вопросы.

В настоящее пособие включены задачи, которые в течение многих лет предлагались студентам факультетов АДМ и ТТМ на практических занятиях. Большой набор вопросов и задач в каждом разделе позволяет варьировать задания в зависимости от уровня подготовки и способностей студента. Приведены рекомендации по решению задач и примеры их решений в каждом разделе.

Надеемся, что данное учебное пособие существенно облегчит работу студентов по физике, поможет организовать СРС и улучшить качество обучения.

1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

1.1. Введение

Общая структура и задачи курса. Роль изучения физики в становлении инженера. Физика и техника. Методы физических исследований: опыт, гипотеза, теория, эксперимент. Математика и физика. Измерение физических величин и погрешности измерений. Приближенные вычисления. Международная система единиц.

1.2. Физические основы механики

Физические модели в механике: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело. Пространство и время. Понятие состояния в классической механике. Уравнение движения материальной точки. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Тангенциальное и нормальное ускорения.

3

Угловая скорость и угловое ускорение при движении материальной точки на окружности. Современная трактовка законов Ньютона. Силы в механике. Закон сохранения импульса. Теорема об изменении кинетической энергии. Консервативные и неконсервативные силы. Работа консервативной силы и потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии.

Динамика вращательного движения твердого тела: момент инерции, момент силы, момент импульса тела относительно неподвижной оси вращения; уравнение динамики вращательного движения; энергия вращательного движения; работа при вращательном движении; закон сохранения момента импульса. Столкновение тел.

Элементы релятивистской механики: принцип относительности; закон сложения скоростей; масса, импульс, энергия; закон сохранения массы и энергии в теории относительности.

1.3. Молекулярная физика и термодинамика

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Основное уравнение МКТ идеального газа. Скорости теплового движения молекул в газе. Распределение молекул по скоростям. Среднее число столкновений и длина свободного пробега молекул. Кинетические явления в газах: диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Макроскопическое состояние. Уравнение состояния. Статистический смысл температуры. Внутренняя энергия как функция состояния. Распределение энергии по степеням свободы молекул. Различие теплоемкостей газов с точки зрения МКТ. Применение первого закона термодинамики к расчетам теплоемкостей газов в изопараметрических процессах. Адиабатический (адиабатный) процесс. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы. Второй закон термодинамики. Термодинамическое определение энтропии. Статистический смысл энтропии. Цикл Карно. Максимальный КПД тепловой машины. Холодильные машины и тепловой насос. Третий закон термодинамики. Реальные газы. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Уравнение состояния реального газа. Внутренняя энергия реального газа. Агрегатное состояние фазы вещества. Фазовые переходы. Свойства жидкостей: диффузия и внутреннее трение; динамическая и ки-

4

нематическая вязкости жидкостей; поверхностное натяжение. Элементы механики жидкостей: давление в жидкости, уравнение Бернулли.

1.4. Электричество

Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие зарядов в вакууме и веществе; закон Кулона. Напряженность поля и поток вектора напряженности. Теорема Гаусса. Потенциал и работа электрического поля. Связь потенциала с напряженностью. Принцип суперпозиции электрических полей. Поле диполя. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Вектор электрического смещения. Поверхностная плотность заряда. Электроемкость, конденсаторы. Энергия и плотность энергии электрического поля. Постоянный электрический ток. Условия существования тока, закон Ома и закон Джоуля–Ленца в диференциальной форме. ЭДС источника тока. Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Правило Кирхгофа для разветвленных электрических цепей.

1.5. Электромагнетизм

Магнитное поле. Сила Лоренца и сила Ампера. Момент силы, действующей на рамку с током в магнитном поле. Вектор магнитной индукции. Закон Био–Савара–Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей. Циркуляция вектора магнитной индукции, закон полного тока. Магнитный поток. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея–Максвелла, правило Ленца. Магнитные свойства вещества; магнитные моменты электронов и атомов. Намагниченность, магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость. Напряженность магнитного поля. Свойства и применение ферромагнетиков. Индуктивность, самоиндукция. Энергия и плотность энергии магнитного поля. Уравнения Максвелла в интегральной форме, ток смещения. Электромагнитные волны.

5

1.6. Физика колебаний

Единый подход к рассмотрению колебаний различной природы. Амплитуда, угловая частота, фаза гармонических колебаний, изображение гармонических колебаний с помощью вращающегося вектора амплитуды. Сложение колебаний, векторные диаграммы. Фигуры Лиссажу. Гармонический анализ сложного колебания, физический смысл спектрального разложения. Гармонический осциллятор: груз на пружине, физический маятник, математический маятник, колебательный контур; период колебаний; энергетические соотношения. Свободные колебания при наличии сопротивления; коэффициент затухания, логарифмический декремент. Ангармонический осциллятор. Физические системы, содержащие нелинейные элементы. Автоколебания. Колебания под действием внешней синусоидальной силы. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс. Анализ резонансных кривых; добротность колебательной системы.

1.7. Физика волновых процессов

Бегущая волна. Фазовая скорость и длина волны. Одномерное волновое уравнение. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах. Энергия упругих волн, вектор Умова. Поведение волн на границе двух сред. Стоячая волна. Собственные частоты (нормальные моды) при распределении колебаний в трубах и стержнях. Основы акустики. Эффект Доплера. Плоские электромагнитные волны, уравнение волны. Энергетические соотношения для электромагнитной волны, вектор Пойнтинга. Интерференция волн. Способы получения интерференционных картин. Полосы равной толщины и равного наклона. Интерферометры. Дифракция волн. Принцип Гюйгенса–Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейность распределения света. Дифракция на круглом отверстии, на диске и на одной щели. Дифракция на решетке, разрешающая способность решетки. Поляризация волн. Поляризация света при отражении и поглощении. Двойное лучепреломление. Геометрическая оптика. Объяснение отражения и преломления на основе волновой теории. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. Фотометрические величины и их единицы: светимость, яркость, световой поток, сила света, освещенность.

6

1.8. Квантовая и атомная физика

Равновесное тепловое излучение: основные понятия и законы; распределение энергии по спектру теплового излучения; оптическая пирометрия. Гипотеза М.Планка; энергия, масса, импульс квантов электромагнитного излучения. Фотоэффект и эффект Комптона. Опыт Франка–Герца. Линейчатые спектры излучения и поглощения. Теория Н.Бора и объяснение спектров водородоподобных атомов; недостатки теории Бора. Корпускулярноволновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Соотношение неопределенностей, физический смысл волновой функции. Уравнения Шрёдингера. Частица в потенциальной яме. Квантовые системы и квантовые состояния. Квантовые числа. Распределение частиц по состояниям в квантовых системах. Энергетические спектры атомов и молекул. Понятие о нелинейной оптике. Спектры тормозного и характеристического рентгеновского излучения и их объяснение на основе квантовой теории.

1.9. Физика твердого тела и атомного ядра

Элементы зонной теории твердого тела. Строение металлов, полупроводников и диэлектриков по зонной теории. Собственная и примесная проводимости полупроводников. Контактные и термоэлектрические явления. Вынужденное излучение атомов. Квантовый оптический генератор. Свойства лазерного излучения. Ядро атома как квантовая система. Элементарные частицы, их взаимодействие и взаимопревращаемость; аннигиляция и рождение пар. Свойства ядерных сил. Энергия связи ядра. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Закономерности альфа- и бета-распадов. Применение законов сохранения к процессам ядерных превращений. Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Дозиметрические величины и их единицы. Физическая картина мира от атомов до Вселенной. Проблемы современной физики.

7

2.ТЕМАТИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК ФОРМУЛ

2.1.Физические основы механики

2 v 2 ;

T

2 N

8

9