Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Физика» для специальности 1-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий»

Белорусский национальный технический университет\

Факультет Международный институт дистанционного образования\ Кафедра «Информационные системы и технологии»\

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ\

ФИЗИКА\

для специальности:\

1-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий»

Составители:\ Бояршинова Оксана Александровна, к.ф.-м.н., зав. кафедрой\

Рассмотрено и утверждено\ на заседании совета МИДО 22 февраля 2021 г.\ протокол № 7\

2

Перечень материалов

Конспект лекций, материалы для практических занятий и контрольных заданий, мате - риалы текущей и итоговой аттестации, вспомогательный раздел.

3

СОДЕРЖАНИЕ

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ……………………………………………………..5

Конспект лекций……………………………………………………………………..5

РАЗДЕЛ 2. ПРАКТИЧЕСКИЙ……………………………………………………..64

Задачи для практических занятий и контрольной работы……………………….64

РАЗДЕЛ 3. КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ…………………………………………………93

Методические указания по выполнению контрольной работы…………………93

Варианты контрольной работы……………………………………………………94

Образец оформления титульного листа…………………………………………..95

Вопросы к экзамену………………………………………………………………..96

РАЗДЕЛ 4. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ………………………………………………98

Учебная программа………………………………………………………………..98

Справочные материалы…………………………………………………………..104

4

ВВЕДЕНИЕ

Уважаемые студенты! Электронный учебно-методический комплекс (ЭУМК) по дис - циплине «Физика» создан Вам в помощь для работы на занятиях, при выполнении Вами кон -

ретические сведения, достаточные для того, чтобы Вы смогли самостоятельно решать задачи. Задачи, включенные в контрольную работу, разбиты на двадцать вариантов, количе - ство и номера решаемых задач (столбиков) преподаватель выдает на установочном занятии в

начале учебного семестра. Номер варианта, который должен выполнить студент совпадает с последними цифрами номера зачетной книжки студента. Задачи контрольной работы состав -

Сила направлена по прямой, соединяющей заряды (рис. 1).

Рисунок 1

Электрическое поле – это материальная среда, существующая вокруг заряженных тел и проявляющая себя силовым де йствием на заряды. Если электрически заряженные тела или частицы неподвижны в данно й системе отсч ёта, то их взаимоде йствие осуществляется посредством электростатического поля. Электростатическое поле является не изменяющимся во времени (стационарным) электрическим полем.

Напряженность электростатического поля (силовая характеристика поля) вектор -

ная физическая величина, которая может быть определена следующе образом

E = Fq ,

где F сила, действующая со стороны электрического поля на точечный пробный заряд , по-

мещенный в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда.

[E ] = КлН = Вм

На рис. 2 представлены примеры простейших электростатических полей. Принято электростатические поля изображать с помощью так называемых силовых линий. Силовая линия (линия напряжённости) – это линия, касательная к которо й в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости E .

Свойства силовых линий:

1. Силовые линии начинаются на положительных зарядах, заканчиваются на отри - цательных или уходят в бесконечность. В связи с этим положительные заряды называют источниками поля, а отрицательные стоками поля.

2. Силовые линии не пересекаются.

7

3.По густоте силовых лини й судят о величине напряж ённости электростатического

поля.

4.Если величина и направление вектора напряж ённости поля в каждой точке одинаковы, то поле называется однородным. Примером такого поля является поле плоского конденсатора.

Рисунок 2

Если поле создано системой точечных зарядов для на - хождения вектора напряженности применяют принцип су -

перпозиции электрических полей : напряженность E элек -

полей, созданных каждым i-м зарядом в отдельности (рис. 3)

Рисунок 3

E = E 1 + E 2 + ... + E N.

Теорема Гаусса

Потоком вектора напряж ённости электрического поля через элементарный участок поверхности dS называется величина

dΦ = E d S = EdScosα,

где d S = n dS, n — единичный вектор перпендикулярный пло - щадке dS, – угол между направлением n и E .

Карл Фридрих Гаусс

(1777-1855)

Рисунок 4

Согласно теореме Гаусса поток вектора напряженности сквозь любую замкнутую по - верхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхно сти, деленной на элект риче скую по стоянную и диэлект риче скую проницаемостью :

9

модействия W пробного точечного электрического заряда, помещенного в рассматриваемую точку поля, с электростатическим полем, к величине этого заряда:

φ = W . qпр

Потенциал электростатического поля, созданного точечным зарядом q или равномерно заряженным шаром, на расстоянии r от заряда (центра шара):

φ(r) = kqr ,

вслучае полого шара, потенциал всех его внутренних точек одинаков и равен потенциалу точек расположенных на его поверхности.

φ] = В

При наложении электрических полей их потенциалы алгебраически складываются.

Кроме как силовыми линиями, графически электростатическое поле можно предста - вить с помощью эквипотенциальных линий (поверхностей). Эквипотенциальная линия (поверхность) – это геометрическое место точек электростатического поля, потенциалы ко -

заряда в однородном электростатическом поле, равна уменьшению потенциальной энергии взаимодействия Wp этого заряда с полем:

A = − Wp = F r = q E r.

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении электриче - ского заряда по одной и той же эквипотенциальной поверхности, равна нулю.

Потенциальная энергия системы из N зарядов равна:

1

Wp = 2 ∑i qiφi,

где i – потенциал, создаваемый в той точке поля, в которой находится заряд i, всеми заря - дами, кроме i-го.

Wp] = Дж

Связь между напряжённостью электрического поля и потенциалом

Напряжённость электрического поля численно равна изменению потенциала, прихо - дящемуся на единицу длины

E = − gradφ.

Знак «–» говорит о том, что вектор напряж ённости направлен в сторону убывания по - тенциала. Градиент потенциала (обозначается gradφ ) – это вектор, направленны й в сторону максимального возрастания потенциала и численно равны й изменению потенциала, приходящемуся на единицу длины в этом направлении.

10

Если говорить о взаимном расположении силовой и эквипотенциальной линии, то они в каждой точке перпендикулярны и силовая линия направлена в сторону убыли потенциала.

Электрический диполь Электрическим диполем называется система из двух равных по модулю электриче -

ских зарядов q и , находящихся друг от друга на расстоянии l, малом по сравнению с рас- стоянием до точек, в которых определяется поле диполя.

Прямая, проходящая через оба заряда, называется осью диполя. Вектор, направлен -

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

теории все вещества состоят из атомов или молекул. В свою очередь, атомы состоят из поло - жительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, расстояние между кото - рыми очень мало ( 10−10м), поэтому атомы и молекулы, находящиеся в электрическом поле, можно рассматривать как диполи. Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения.

Все диэлектрики по своей структуре можно разделить на три группы. Полярные диэлектрики, молекулы которых имеют ассиметричное строение

(NH3, H2O, SO2, CO). Центры тяжести положительных и отрицательных молекул в таких ди - электриках не совпадают. Если напряж ённость внешнего электрического поля равна нулю

(E = 0) , то молекулы все равно обладают дипольным моментом. Де йствие внешнего поля на полярную молекулу сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля.