Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 35.03.07 Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции, урове.pdf
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Департамент научно-технологической политики и образования
ФГБОУ ВО Южно-Уральский государственный аграрный университет
Институт ветеринарной медицины
С. В. Шамина
ФИЗИКА
Учебное пособие
для обучающихся по направлению подготовки
35.03.07 Технология производства и переработки
сельскохозяйственной продукции,
уровень высшего образования бакалавриат
Челябинск
2020
УДК 53
ББК 22.3
Ш 193
Шамина, С. В.
Ш 193
Физика [Текст] : учеб. пособ. для обучающ. по напр. подгот.
35.03.07 Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции, уровень высшего образования бакалавриат
/ С. В. Шамина. – Челябинск : ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ,
2020. – 138 с.
ISBN 978-5-88156-852-8
В учебном пособии изложены основные физические понятия, явления, законы, теории по механике, молекулярной физике и термодинамике.
Имеются сведения о роли физического знания в агропромышленном комплексе.
Содержание учебного пособия представлено с учетом требований
ФГОС ВО и специфики образовательной организации.
УДК 53
ББК 22.3
Рецензенты
С. А. Старченко – д-р пед. наук, профессор, учитель физики
(МБОУ «Лицей № 13»)
Г. В. Мещерякова – канд. биол. наук, доцент кафедры
естественнонаучных дисциплин (ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ)
Печатается по решению учебно-методического совета
ФГБОУ ВО Южно-Уральского ГАУ
Утверждено на заседании методической комиссии
факультета биотехнологии (протокол № 5 от 30 апреля 2020 г.)
ISBN 978-5-88156-852-8
© С. В. Шамина, 2020.
© ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2020.
Содержание
Введение………………………………………………………………5
Глава I. Механика
1. Элементы поступательного движения…………………………9
1.1. Кинематика поступательного движения.……………………9
1.2. Динамика поступательного движения………………………16
1.3. Энергетические характеристики поступательного
движения……………………………………………………20
Задания для самоконтроля.………………………………………25
Упражнения………………………………………………………27
2. Элементы вращательного движения…………………………29
2.1. Кинематика вращательного движения.…………………….29
2.2. Динамика вращательного движения……………………….32
2.3. Энергетические характеристики вращательного
движения……………………………………………………37
Задания для самоконтроля.………………………………………38
Упражнения………………………………………………………40
3. Элементы колебательного движения…………………………42
3.1. Характеристики колебательного движения.……………….42
3.2. Виды механических колебаний и их уравнения……………45
3.3. Гармонический осциллятор…………………………………49
Задания для самоконтроля……………………………………….53
Упражнения………………………………………………………55
4. Механические волны……………………………………………57
4.1. Волновой процесс и его характеристики………………….57
4.2. Типы волн и их уравнения…………………………………63
4.3. Спектр звуковых волн……………………………………….67
Задания для самоконтроля………………………………………69
Упражнения………………………………………………………71
Глава II. Молекулярная физика и термодинамика
5. Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ).
Явления переноса.……………………………………………….75
5.1. Основные понятия и уравнения МКТ………………………76
5.2. Основные положения МКТ…………………………………77
3
5.3. Движение молекул веществ…………………………………80
5.4. Явления переноса……………………………………………84
Задания для самоконтроля……………………………………….88
Упражнения………………………………………………………91
6. Молекулярные явления в телах………………………………92
6.1. Молекулярные явления в газах.…………………………….92
6.2. Молекулярные явления в жидкостях………………………98
6.3. Молекулярные явления в твердых телах…………………100
Задания для самоконтроля………………………………………103
Упражнения………………………………………………………105
7. Первое начало термодинамики………………………………106
7.1. Основные понятия термодинамики………………………106
7.2. Первый закон термодинамики и его применение
к изопроцессам.…………………………………………….114
Задания для самоконтроля………………………………………117
Упражнения………………………………………………………120
8. Второе начало термодинамики………………………………121
8.1. Тепловые двигатели.……………………………………….121
8.2. Энтропия……………………………………………………124
8.3. Второй закон термодинамики.…………………………….128
Задания для самоконтроля………………………………………130
Упражнения………………………………………………………132
Список литературы………………………………………………….134
Интернет-ресурсы…………………………………………………135
Ответы на задания для самоконтроля.……………………………136
Ответы на упражнения.…………………………………………….137
Введение
Физика изучает наиболее общие свойства материального мира
и наиболее простые формы и закономерности движения материи,
дает общие законы, которыми пользуются все остальные естественные и прикладные науки. Поэтому среди естественнонаучных дисциплин «Физика» занимает одно из ведущих мест в подготовке специалиста аграрного вуза.
Цель дисциплины заключается в формировании знаний
о фундаментальных законах классической и современной физики
и навыков применения в профессиональной деятельности физических методов измерений и исследований.
Основное содержание учебного пособия нацелено на решение
следующих задач.
1. Изучение физических явлений и законов физики и границ их
применимости; знакомство с основными физическими величинами,
знание их определений, физического смысла, способов и единиц их
измерения.
2. Формирование умений объяснить основные наблюдаемые
природные и техногенные явления и эффекты с позиции фундаментальных физических взаимодействий; указать, какие законы описывают данное явление или эффект; истолковывать смысл физических
величин и понятий.
3. Приобретение навыков применения в своей практической
деятельности знаний по физике для решения теоретических и производственных задач.
Обучающийся, изучивший физику, должен:
Знать:
• основные физические явления и основные физические законы; границы их применимости, применение законов в важнейших
практических приложениях;
• основные физические величины и физические константы, их
определение, физический смысл, способы и единицы их измерения;
• фундаментальные физические опыты и их роль в развитии
науки;
• назначение и принципы действия важнейших физических
приборов.
5
Уметь:
• объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиции фундаментальных физических
взаимодействий;
• указать, какие законы описывают данное явление или эффект;
• истолковывать смысл физических величин и понятий.
Владеть навыками:
• использования основных общефизических законов и принципов в важнейших практических приложениях;
• применения основных методов физико-математического анализа для решения естественнонаучных и профессиональных задач.
Материал учебного пособия отвечает современным требованиям к формированию универсальных, общепрофессиональных
и профессиональных компетенций, отражает реалии современного
научного мира. Теоретический материал тщательно отобран, систематизирован и обобщен. Изложение материала ведется без подробных математических выкладок с применением обобщенных планов
изучения физических понятий, явлений, законов, теорий.
Учебное пособие может быть использовано для обучающихся
аграрного вуза всех направлений подготовки, изучающих дисциплину «Физика».
Глава I. Механика
Механика – часть физики, которая изучает закономерности
механического движения и причины, вызывающие или изменяющие
это движение.
Развитие механики как науки начинается с III в. до н.э., когда
древнегреческий ученый Архимед сформулировал закон равновесия
рычага и закон равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем
и окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном.
Механика делится на три раздела: кинематика, динамика, статика. Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины,
которые это движение обусловливают. Динамика изучает законы
движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение. Статика изучает законы равновесия системы тел.
1. Элементы поступательного движения
Ключевые понятия: тело отсчета, система отсчета, перемеще-
ние, скорость, средняя скорость, мгновенная скорость, ускорение,
среднее ускорение, мгновенное ускорение, полное ускорение, тангенциальная составляющая ускорения, нормальная составляющая
ускорения, первый закон Ньютона, инертность, масса, второй закон
Ньютона, сила, импульс, третий закон Ньютона, энергия, механическая энергия, полная энергия, кинетическая энергия, потенциальная
энергия, работа, коэффициент полезного действия, мощность.
1.1. Кинематика поступательного движения
Движение тел происходит в пространстве и во времени. Поэтому для описания движения материального тела надо знать, в каких
местах пространства и в какие моменты времени это тело находилось в том или ином положении.
Для определения положения движущегося тела в разные моменты времени необходимо иметь тело отсчета и систему отсчета.
9
Тело отсчета – тело (или группа тел), принимаемое в данном
r
( )
.r rt=
случае за неподвижное, относительно которого рассматривается
движение других тел.
Система отсчета – это совокупность системы координат и часов.
Положение материальной точки (тела) в пространстве в любой
момент времени можно определить двумя способами: координатным и векторным.
1. Координатный способ (рис. 1.1). При движении точки
(тела) ее координата с течением времени изменяется. В декартовой
системе координат, используемой наиболее часто, положение точки
(тела) А в данный момент времени характеризуется тремя координатами (х, у, z). В общем случае ее движение определяется скалярными
уравнениями, называемыми уравнениями движения материальной
точки (тела)
x = x(t), y = y(t), z = z(t).
Рис. 1.1. Координатный способ определения положения точки (тела)
в пространстве
2. Векторный способ (рис. 1.2). Положение точки определяется радиусом-вектором
точке. Если точка перемещается по какой-либо траектории, то вместе
с ее движением изменяется и положение, и длина радиуса-вектора.
В общем виде зависимость радиуса-вектора от времени записывается уравнением:
, проведенным из начала отсчета О к данной
10