1532

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

В.В. Горлач, Н.А. Иванов, М.В. Пластинина

ФИЗИКА: СРС

Учебное пособие

Под редакцией В.В. Горлача

Допущено Научно-методическим Советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям и специальностям

Омск

СибАДИ

2009

1

УДК 53 (075.8) ББК 22.3

Г 69

Рецензенты:

В.И. Суриков – доктор технических наук, профессор (ОГТУ); П.П. Бобров – доктор физико-математических наук, профессор (ОГПИ); В.В. Пластинин – заслуженный работник высшей школы РФ, академик ПАНИ, доктор физико-математических наук, профессор (ОмГИС)

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для студентов технических специальностей

Горлач В.В., Иванов Н.А., Пластинина М.В.

Г69 ФИЗИКА: СРС: учебное пособие; Под ред. В.В.Горлача. – Омск: СибАДИ, 2009. – 167 с.

ISBN 978-5-93204-443-8

Вкниге раскрывается содержание и методика самостоятельной работы студента (СРС). Детально расписана информация о том, чтó и как нужно делать во внеаудиторное время, чтобы успешно освоить вузовский курс физики. В книгу вошли: тематика индивидуальных заданий и учебно-исследовательской работы; задания для СРС и рекомендации по их выполнению; вопросы для подготовки к практическим занятиям и к экзаменам; аннотированный указатель рекомендуемой учебной литературы.

Вприложение включены справочные таблицы и некоторые сведения из математики, используемые при решении физических задач.

Для самоконтроля большинство задач снабжены ответами. Несколько вариантов заданий составлены из задач повышенной трудности.

Теоретический уровень заданий, рекомендованная последовательность их выполнения отражают содержание и структуру действующих программ по физике для технических специальностей вузов.

Пособие адресовано студентам высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям и специальностям.

Рекомендовано учебно-методическим советом при Омском совете ректоров.

Табл. 12. Ил. 37. Библиогр.: 12 назв.

2

5.Внесистемные единицы, допускаемые к применению в России наравне с единицами СИ …................................................................................ 162

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Для того чтобы изучение было наиболее эффективным, учащийся должен самостоятельно открыть настолько большую часть изучаемого материала, на-

сколько это в данных обстоятельствах возможно.

Д. Пойа1

Самостоятельная работа студента (СРС) занимает около половины времени, выделенного на изучение предмета. Задания для СРС и методика организации этой работы составляют значительную часть учебно-методического комплекса дисциплины.

Настоящее пособие включает тематику СРС, индивидуальные задания (30 вариантов по 26 задач в каждом) с указаниями по их выполнению, основное содержание рабочей программы для технических специальностей и другие методические вопросы организации СРС.

Подробные методические указания даны только к отдельным заданиям (1, 7, 17, 19, 20, 23□). Это те случаи, когда либо недостаточно сведений в доступных учебных пособиях, либо методические указания в разных пособиях противоречивы. В остальных случаях читатель может найти необходимые формулы и примеры решения в рекомендуемой литературе (с. 138).

Предлагаемый набор индивидуальных заданий на весь курс обучения не исключает, а скорее предполагает решение других более простых, «тренировочных» задач. Без опыта их решения трудность некоторых заданий может показаться завышенной.

Поскольку задачи на одну и ту же тему в разных вариантах несколько различаются по физическому содержанию, они могут быть неодинаковы по трудности. Учитывая это обстоятельство, авторы стремились выровнять средние (по 25 заданиям) трудности отдельных вариантов.

При составлении задач широко использовался табличный и графический способы предъявления данных. В каждом из вариантов присутствуют задачи, решение которых сопряжено с применением элементов высшей математики, таких как дифференцирование и интегрирование.

Большинство задач снабжены числовыми ответами, однако есть и такие, где отсутствующий ответ требуется сформулировать самостоятельно на основе анализа физической ситуации или общего вида решения.

1 Д. Пойа (Polya George). Математическое открытие. – М.: Наука, 1976. – С. 290.

4

Формулировка задания «Определение КПД теплового двигателя», в отличие от других, одинакова для всех вариантов и приведена вместе с методическими указаниями по его выполнению. Диаграммы термодинамических циклов к этому заданию по всем тридцати вариантам собраны вместе (с. 133 – 137).

Варианты 26−30 включают задачи повышенной трудности. Они предназначены как для решения на практических занятиях совместно с преподавателем, так и в качестве СРС для желающих.

Тематика рефератов, приведённая в настоящем пособии, охватывает около 100 тем, сгруппированных по разделам физики. Реферат на соответствующую тему может быть предложен студентам, проявляющим склонность к научно-исследовательской работе, в качестве альтернативы тому или иному индивидуальному заданию.

Тематика СРС, и в частности индивидуальных заданий, разработана в соответствии с Программой2 по физике для технических специальностей вузов и с действующими государственными образовательными стандартами.

Пособие по СРС рекомендуется использовать в комплексе с учебниками Б.В. Бондарева, Н.П. Калашникова, Г.Г. Спирина [2], А.Д. Ивлиева [6] и задачником А.Г. Чертова [12].

Надеюсь, данная книга будет полезной преподавателям вуза в качестве руководства по организации СРС; студенты же получат помощь в выполнении разнообразных видов внеаудиторной работы при изучении не только физики, но и смежных дисциплин: подготовки рефератов и докладов, обработки результатов измерений, составления таблиц, построения диаграмм.

Задания 2−4, 13−16, 21−23 составлены Н.А. Ивановым, задания 8−12 и 17−20 – М.В. Пластининой.

В.В. Горлач

2Примерная программа дисциплины “Физика” для направлений: 550000 — технические науки, 540500 — технологическое образование. – М.: Министерство образования РФ, 2000. – 34 с.

5

1. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ

(Вопросы подготовки к практическим занятиям

иэкзаменационные вопросы)

Раздел 1. Механика

Тема 1.1. Введение в курс физики. 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. Международная система единиц.

Тема 1.2. Кинематика материальной точки. Физические модели в механике: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело. Пространство и время. Понятие состояния в классической механике. Уравнения движения материальной точки. Релятивистский закон сложения скоростей. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Тангенциальное и нормальное ускорения. Угловая скорость и угловое ускорение при движении материальной точки по окружности. Связь угловых и линейных характеристик движения.

Тема 1.3. Динамика материальной точки. Виды взаимодействий. Силы в механике. Сила упругости, сила трения, сила тяжести. Закон всемирного тяготения. Современная трактовка законов Ньютона. Элементы специальной теории относительности (СТО): принцип относительности; масса, импульс, полная и кинетическая энергия в СТО.

Тема 1.4. Работа и энергия. Теорема об изменении кинетической энергии. Консервативные и неконсервативные силы. Работа консервативной силы и потенциальная энергия. Работа переменной силы.

Тема 1.5. Динамика твёрдого тела. 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.

Тема 1.6. Законы сохранения в механике. Закон сохранения импульса. Центр масс (центр инерции). Теорема о движении центра масс. Закон сохранения механической энергии. Закон сохранения момента импульса.

6

Раздел 2. Электричество

Тема 2.1. Характеристики электростатического поля. Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие зарядов в вакууме и в веществе; закон Кулона. Напряжённость поля и поток вектора напряжённости. Принцип суперпозиции электрических полей. Поле диполя.

Тема 2.2. Теорема Гаусса и её применение. Поверхностная плотность заряда, линейная плотность заряда. Теорема Гаусса и её применение для расчета поля распределённых зарядов: точечного заряда, сферы, плоскости, заряженной нити (цилиндра).

Тема 2.3. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Проводники в электростатическом поле. Электростатическая защита. Диэлектрики в электростатическом поле. Напряжённость электрического поля и вектор электрического смещения в слоистом диэлектрике.

Тема 2.4. Связь напряжённости и потенциала. Потенциал и работа электрического поля. Расчет разности потенциалов поля плоскости, нити, точечного заряда, сферы по известной напряжённости.

Тема 2.5. Электроёмкость. Электроёмкость проводника, конденсатора. Соединение конденсаторов. Вывод формул ёмкости плоского и цилиндрического конденсаторов.

Тема 2.6. Энергия электрического поля. Энергия и плотность энергии электрического поля. Примеры задач электростатики.

Тема 2.7. Законы постоянного тока. Постоянный электрический ток. Условия существования тока. Закон Ома и закон Джоуля – Ленца в локальной форме. ЭДС источника тока. Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Правила Кирхгофа.

Раздел 3. Магнетизм

Тема 3.1. Характеристики магнитного поля. Сравнительная характеристика электростатического и магнитного полей. Сила Лоренца и сила Ампера. Момент силы, действующий на рамку с током в магнитном поле. Вектор магнитной индукции. Магнитный поток. Принцип относительности в электродинамике.

Тема 3.2. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Изменение скорости заряженной частицы под действием магнитного поля. Расчёт радиуса траектории и периода обращения заряженной

7

частицы в магнитном поле. Радиационные пояса Земли. Циклотрон. МГД-генератор.

Тема 3.3. Расчёт магнитной индукции на основе закона Био – Савара – Лапласа (Б–С–Л) и закона полного тока. Закон Б–С–Л и его применение для расчёта индукции магнитного поля, созданного проводниками с током различной конфигурации. Принцип суперпозиции магнитных полей. Циркуляция вектора магнитной индукции, закон полного тока.

Тема 3.4. Работа в магнитном поле. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.

Тема 3.5. Электромагнитная индукция. Явление электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Закон Фарадея – Максвелла, правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия и плотность энергии магнитного поля.

Тема 3.6. Магнитное поле в веществе. Магнитные свойства вещества; магнитные моменты электронов и атомов. Намагниченность, магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость. Напряжённость магнитного поля. Свойства и применение ферромагнетиков.

Тема 3.7. Индуктивность. Самоиндукция. Индуктивность, явление самоиндукции. Физические основы генерирования и трансформации переменного тока.

Тема 3.8. Энергия магнитного поля. Энергия и плотность энергии магнитного поля. Принцип относительности в электродинамике.

Тема 3.9. Уравнения Максвелла. Материальные уравнения. Уравнения Максвелла в интегральной форме, ток смещения. Материальные уравнения.

Раздел 4. Физика колебаний

Тема 4.1. Гармонический осциллятор. Кинематика колебаний.

Единый подход к рассмотрению колебаний различной природы. Амплитуда, угловая частота, фаза гармонических колебаний. Моделирование гармонических колебаний с помощью вращающегося вектора амплитуды.

Тема 4.2. Динамика колебаний. Гармонический осциллятор: груз на пружине, физический маятник, математический маятник, колебательный контур; дифференциальное уравнение колебаний, период колебаний.

8

Тема 4.3. Энергетические соотношения для гармонического осциллятора. Кинетическая и потенциальная энергии груза на пружине. Пропорциональность энергии квадрату частоты и квадрату амплитуды. Энергетические соотношения для колебательного контура.

Тема 4.3. Сложение колебаний. Сложение одинаково направленных колебаний, векторные диаграммы. Гармонический анализ сложного колебания, физический смысл спектрального разложения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний; уравнение траектории; фигуры Лиссажу.

Тема 4.4. Свободные колебания. Свободные колебания при наличии сопротивления: зависимость амплитуды от времени; коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания; время релаксации. Физический смысл коэффициента затухания и логарифмического декремента. Ангармонический осциллятор. Автоколебания.

Тема 4.5. Вынужденные колебания. Колебания под действием внешней синусоидальной силы. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс. Анализ резонансных кривых; добротность колебательной системы.

Тема 4.6. Вынужденные колебания в электрических цепях.

Вынужденные колебания в цепи переменного тока. Резонанс напряжений. Активное и реактивные сопротивления. Векторная диаграмма напряжений. Полное сопротивление, закон Ома для цепи переменного тока.

Раздел 5. Волновые процессы

Тема 5.1. Волны в упругой среде. Акустика. Бегущая волна, фазовая скорость и длина волны. Одномерное волновое уравнение. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах. Энергетические соотношения, вектор Умова. Поведение волн на границе двух сред. Основы акустики. Эффект Доплера.

Тема 5.2. Стоячие волны. Волны в трубах, струнах. Стоячая волна. Собственные частоты (нормальные моды) при распространении колебаний в трубах, струнах и стержнях.

Тема 5.2. Электромагнитные волны. Поляризация. Плоские электромагнитные волны; уравнение волны. Скорость волны и показатель преломления. Дисперсия электромагнтных волн.

9

Групповая скорость. Энергетические соотношения для электромагнитной волны; вектор Пойнтинга. Поляризация волн; поляризация света при отражении и поглощении; двойное лучепреломление.

Тема 5.3. Интерференция волн. Способы получения интерференционных картин. Полосы равной толщины и равного наклона. Щели Юнга, тонкие плёнки, кольца Ньютона.

Тема 5.4. Применение интерференции. Просветление оптики. Измерение показателя преломления. Интерферометры.

Тема 5.5. Дифракция волн. Принцип Гюйгенса – Френеля. Зоны Френеля. Дифракция на круглом отверстии и диске. Дифракция на одной щели. Дифракция на решётке, разрешающая способность дифракционной решётки.

Тема 5.6. Примеры задач волновой оптики с применением законов фотометрии и геометрической оптики. Объяснение отражения и преломления света на основе волновой теории. Прямолинейность распространения света. Полное отражение света. Оптическая сила системы линз. Фотометрические величины и их единицы: светимость, яркость, световой поток, сила света, освещённость; законы освещенности.

Раздел 6. Квантовые явления

Тема 6.1. Явления, объясняемые квантовой природой электромагнитного излучения. Квантовая гипотеза Планка; энергия и импульс квантов электромагнитного излучения. Спектр атома водорода. Фотоэффект. Эффект Комптона. Опыт Франка – Герца. Линейчатые спектры излучения и поглощения. Постулаты Бора. Атомная теория Бора и объяснение спектров водородоподобных атомов; недостатки теории Бора.

Тема 6.2. Рентгеновское излучение. Генерирование рентгеновского излучения. Объяснение коротковолновой границы тормозного излучения, метод измерения постоянной Планка. Происхождение характеристического излучения. Рентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализ. Формула Вульфа – Брэгга.

Тема 6.3. Тепловое излучение. Равновесное тепловое излучение: основные понятия и законы; распределение энергии по спектру теплового излучения, формула Планка; оптическая пирометрия.

Тема 6.4. Квантовая (волновая) механика. Корпускулярно-вол- новой дуализм. Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Соотно-

10