Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Методика решений контрольных заданий по физике для студентов-заочников. Ч.2. Учебно-методическое пособие.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Общая физика и физика нефтегазового пласта»
ФИЗИКА
МЕТОДИКА РЕШЕНИЙ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ ПО ФИЗИКЕ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ-ЗАОЧНИКОВ
Учебно-методическое пособие
ЧАСТЬ 2
Самара
Самарский государственный технический университет
2016
1
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
Ф50
Ф50 Физика. Методика решений контрольных заданий по физике для
студентов-заочников. Ч. 2: Учеб.-метод. пособ. / Сост. В.В. Молчанов,
В.А. Путилин. – 2-е изд., доп. и перераб. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т,
2016. – 100 с.
Рассмотрены примеры решения задач по каждой из тринадцати тем контрольных заданий, предлагаемых студентам для самостоятельного решения.
Приведены основные законы и формулы по каждой теме.
Предназначено для студентов, обучающихся по заочной форме всех направлений и профилей бакалавриата (специалитета), а также для преподавателей физики при подготовке к практическим занятиям.
© В.В. Молчанов, В.А. Путилин,
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
Ф50
составление, 2016
© Самарский государственный
технический университет, 2016
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Учебная работа студента-заочника по изучению физики складывается из следующих основных элементов: самостоятельного изучения физики по учебным пособиям, решения задач, выполнения
контрольных работ, лабораторных работ, сдачи зачётов и экзаменов.
Самостоятельная работа по учебным пособиям
Самостоятельная работа по учебным пособиям является главным
видом работы студента-заочника. Студентам рекомендуется:
1. Изучать курс систематически в течение всего учебного про-
цесса. Изучение физики в сжатые сроки перед экзаменом не даст глубоких и прочных знаний.
2. Выбрав какое-либо учебное пособие в качестве основного по
определённой части курса, придерживаться работы с данным пособием
при изучении всей части курса или, по крайней мере, раздела. Замена
одного пособия другим в процессе изучения может привести к утрате
логической связи между отдельными вопросами. Но если основное пособие не даёт полного или ясного ответа на некоторые вопросы программы, необходимо обращаться к другим учебным пособиям.
3. При чтении учебного пособия составлять конспект, в котором
записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения физических величин и их единиц, делать чертежи и решать типовые задачи. При решении задач следует преимущественно пользоваться Международной системой единиц (СИ).
4. Самостоятельную работу по изучению физики подвергать сис-
тематическому контролю. С этой целью после изучения очередного
раздела следует ставить вопросы и отвечать на них. При этом надо
использовать рабочую программу физики.
5. Прослушать курс лекций по физике, организуемый для сту-
дентов-заочников. Пользоваться очными консультациями преподавателей.
3
При изучении физики студент встречается со многими единицами физических величин. Без основательного знания единиц и систем
единиц, без умения пользоваться ими при решении физических задач,
невозможно усвоить курс физики и тем более применять физические
значения на практике.
Решение задач. Систематическое решение задач – необходимое
условие успешного изучения курса физики. Решение задач помогает
уяснить физический смысл явлений, закрепляет в памяти формулы,
прививает навыки практического применения теоретических знаний.
При решении задачи необходимо выполнить следующее.
1. Указать основные законы и формулы, на которых базируется
решение, и дать словесную формулировку этих законов, разъяснить
буквенные обозначения формул. Если при решении задач применяется формула, полученная для частного случая, не выражающая какой-нибудь физический закон или не являющаяся определением какой-нибудь физической величины, то ее следует вывести.
2. Дать чертеж, поясняющий содержание задачи (в тех случаях,
когда это возможно); выполнять его надо аккуратно при помощи чертежных принадлежностей.
3. Решение задачи сопроводить краткими, но исчерпывающими
пояснениями.
4. Решить задачу в общем виде, т. е. выразить искомую величину
в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи и
взятых из таблицы. Физические задачи весьма разнообразны, и дать
единый рецепт их решения невозможно. Однако, как правило, их следует решать в общем виде. При этом способе не производятся вычисления промежуточных величин; числовые значения подставляются
только в окончательную (рабочую) формулу, выражающую искомую
величину.
5. Подставить в рабочую формулу размерности или обозначения
единиц и убедиться в правильности размерности искомой величины
или ее единицы.
4
6. Выразить все величины, входящие в рабочую формулу, в еди-
ницах СИ и выписать их для наглядности столбиком.
7. Подставить в окончательную формулу, полученную в резуль-
тате решения задачи в общем виде, числовые значения, выраженные в
единицах одной системы. Несоблюдение этого правила приводит к
неверному результату. Исключение из этого правила допускается
лишь для тех однородных величин, которые входят в виде сомножителей в числитель и знаменатель формулы с одинаковыми показателями степени. Такие величины необязательно выражать в единицах той системы, в которой ведется решение задачи. Их можно выразить в любых, но только одинаковых единицах.
8. Произвести вычисление величин, подставленных в формулу,
записать в ответе числовое значение и сокращенное наименование
единицы измерения искомой величины.
Выполнение контрольных работ. Выполнение контрольных ра-
бот студентом и рецензирование их преподавателем преследует две
цели: во-первых, осуществление преподавателем контроля за работой
студента; во-вторых, оказание ему помощи в вопросах, слабо усвоенных или непонятных. При выполнении контрольных работ студенту
необходимо руководствоваться следующим.
1. Контрольные работы выполняются в обычной школьной тетради, на лицевой стороне которой (на обложке) приводятся сведения
по следующему образцу:
Студент электротехнического факультета
СамГТУ
Андреев И. П.
№ 257320 (шифр)
Адрес: г. Самара, ул. Советская, д. 4, кв. 1
Контрольная работа № 1 по физике
5
2. Для замечаний преподавателя на страницах тетради оставляются
поля. Каждая следующая задача должна начинаться с новой страницы.
Условия задач переписываются полностью без сокращений.
3. Решения задач должны сопровождаться исчерпывающими, но
краткими объяснениями, раскрывающими физический смысл употребляемых формул, и выполняться в соответствии с правилами, изложенными в методической части пособия.
4. Контрольная работа предъявляется во время сессии на рецензирование своему экзаменатору. Если контрольная работа при рецензировании не зачтена, то студент должен исправить замечания и
предъявить работу для повторного рецензирования.
5. Студент должен быть готов дать во время экзамена пояснения
по существу решения задач, входящих в его контрольную работу
6
ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
Тема 1.1. Элементы кинематики
1.1.1. Пространственно-временные отношения. Система отсчета.
Скалярные и векторные физические величины. Основные кинематические характеристики движения частиц.
1.1.2. Скорость и ускорение частицы при криволинейном движении. Движение частицы по окружности. Угловая скорость и угловое
ускорение.
Тема 1.2. Элементы динамики частиц
1.2.1. Понятие состояния частицы в классической механике Основная задача динамики. Первый закон Ньютона. Понятие инерциальной
системы отсчета. Масса и импульс тела. Уравнение движения. Третий
закон Ньютона. Современная трактовка законов Ньютона. Границы
применимости классического способа описания движения частиц.
Тема 1.3. Элементы механики твердого тела
1.3.1. Уравнения движения и равновесия твердого тела. Понятие
статически неопределенных систем. Момент инерции твердого тела
относительно оси. Момент силы относительно оси. Кинетическая
энергия твердого тела, совершающего поступательное и вращательное движения.
1.3.2. Уравнение движения твердого тела, вращающегося вокруг
неподвижной оси. Момент импульса тела относительно неподвижной
оси. Гироскоп.
Тема 1.4. Законы сохранения в механике
1.4.1. Закон сохранения импульса как фундаментальный закон
природы. Связь закона сохранения импульса с однородностью пространства.
1.4.2. Работа силы и её выражение через криволинейный интеграл. Кинетическая энергия механической системы и её связь с работой внешних и внутренних сил, приложенных к системе.
7
1.4.3. Поле как форма материи, осуществляющей силовое взаи-
модействие между частицами вещества. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия системы. Закон сохранения
механической энергии и его связь с однородностью времени. Диссипация энергии.
1.4.4. Закон сохранения момента импульса и его связь с изотропностью пространства.
Тема 1.5. Элементы релятивистской динамики
1.5.1. Принцип относительности в релятивистской механике.
Преобразование Лоренца для координат и времени их следствия. Релятивистский импульс. Инвариантность уравнений движения относительно преобразований Лоренца.
1.5.2. Полная энергия частицы. Четырехмерный вектор энергииимпульса частицы. Закон сохранения четырехмерного вектора энергии-импульса. Столкновение релятивистских частиц.
Тема 1.6. Физика колебаний и волн
1.6.1. Общие представления о колебательных и волновых процес-
сах. Единый подход к описанию колебаний и волн различной физической природы. Амплитуда, круговая частота и фаза гармонических
колебаний. Векторные диаграммы. Сложение скалярных и векторных
колебаний. Биения. Фигуры Лиссажу. Комплексная форма представления гармонических колебаний.
1.6.2. Гармонический осциллятор. Модель гармонического осциллятора. Примеры гармонических осцилляторов: маятник, груз на
пружине, колебательный контур. Свободные затухающие колебания.
Коэффициент затухания. Логарифмический декремент. Энергия гармонического осциллятора. Добротность. Вынужденные колебания
гармонического осциллятора под действием синусоидальной силы.
Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Время установления вынужденных колебаний и его связь с добротностью. Резонанс.
8
1.6.3. Волновые процессы. Плоская синусоидальная волна. Бе-
гущие и стоячие волны. Одномерное волновое уравнение. Упругие
волны в газах, жидкостях и твердых телах. Энергетические характеристики упругих волн. Вектор Умова. Поведение звука на границе
раздела двух сред. Понятие об ударных волнах. Эффект Допплера.
2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Тема 2.1. Молекулярно-кинетическая теория
2.1.1. Макроскопическое состояние. Физические величины и состояния физических систем. Макроскопические параметры как средние значения. Тепловое равновесие. Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Понятие о температуре.
2.1.2. Явление переноса. Диффузия. Теплопроводность. Коэффициент диффузии. Коэффициент теплопроводности. Диффузия в газах,
жидкостях и твёрдых телах. Вязкость. Коэффициенты вязкости газов
и жидкостей.
Тема 2.2. Основы термодинамики
2.2.1. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Интенсивные и экстенсивные параметры. Применение первого начала
термодинамики к изопроцессам. Теплоёмкость. Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоёмкости идеального газа и её ограниченность.
2.2.2. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второе
начало термодинамики. Термодинамические потенциалы и условия
равновесия. Химический потенциал. Условия химического равновесия. Ионизационное равновесие. Цикл Карно. Максимальный КПД
тепловой машины.
2.2.3. Фазы и условия равновесия фаз. Фазовые превращения. Фазовые диаграммы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Критическая
точка. Изотермы Ван-дер-Ваальса.
9
Тема 2.3. Статистические распределения
2.3.1. Функции распределения. Микроскопические параметры.
Вероятность и флуктуации. Распределение Максвелла. Средняя кинетическая энергия частицы. Распределение Больцмана.
2.3.2. Распределение Гиббса. Модель системы в термостате. Каноническое распределение Гиббса. Статистический смысл термодинамических потенциалов и температуры. Роль свободной энергии.
Распределение Гиббса для системы с переменным числом частиц.
Энтропия и вероятность. Определение энтропии равновесной системы через статистический вес макросостояния.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Тема 3.1. Электростатика
3.1.1. Закон Кулона. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции. Электрический диполь. Поток вектора напряжённости. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля
в вакууме.
3.1.2. Работа электростатического поля. Циркуляция вектора напряжённости. Потенциал электростатического поля и его связь с напряжённостью. Идеальный проводник в электростатическом поле.
Электростатическое поле в полости идеального проводника. Электростатическая защита.
3.1.3. Коэффициенты ёмкости и взаимной ёмкости проводников.
Конденсаторы. Ёмкость конденсаторов. Энергия взаимодействия
электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников.
Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.
3.1.4. Поляризация диэлектрика. Поляризационные заряды. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Граничные условия на поверхности раздела «диэлектрик-диэлектрик» и «проводник-диэлектрик».
Плотность энергии электростатического поля в диэлектрике.
10