Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Учебное пособие
.pdf
Е. И. Дмитриева
ФИЗИКА
Учебное пособие
2-е издание
Ай Пи Эр Медиа
Саратов • 2019
УДК 53
ББК 22.3
Дмитриева, Е. И.
Физика [Электронный ресурс] : учебное пособие / Е. И. Дмитриева. —
2-е изд. — Электрон. дан. и прогр. (6 Мб). — Саратов: Ай Пи Эр Медиа,
2019. — 143 с.
ISBN 978-5-4486-0445-4
Пособие представляет собой краткие ответы на вопросы по физике и написано в
соответствии с государственным образовательным стандартом для инженерных
специальностей. В пособии освещены различные теории и законы физики, рассмотрены
вопросы кинематики, динамики, электрического поля и др.
Подготовлено в соответствии с требованиями Федерального государственного
образовательного стандарта высшего образования.
Предназначено для изучения дисциплины «Физика» по инженерным специальностям и
направлениям подготовки высшего образования. Кроме того, учебное пособие будет полезно
студентам и аспирантам для подготовки и сдачи экзаменов и зачетов.
Для создания электронного издания использовано:
Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
разработанное на основе Adobe Air
© Дмитриева Е. И., 2011
© ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2019
оси
Содержание:
1. Кинематика материальной точки
2. Кинематика вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной
3. Динамика материальной точки. Законы Ньютона
4. Механическая работа и мощность
5. Потенциальное поле сил. Связь между силой и потенциальной энергией
6. Центр масс. Закон движения центра масс.
7. Момент импульса частицы. Момент силы
8. Момент
9. Динамика твердого тела
10. Законы сохранения в механике
11. Специальная теория относительности, кинематика
12. Специальная теория относительности, динамика
13. Собственные гармонические колебания
14. Сложение гармонических колебаний. Векторная диаграмма
15. Затухающие колебания и их характеристики
16. Вынужденные колебания. Резонанс
17. Волны в упругой среде. Волновое уравнение
18. Состояние системы. Процессы. Молекулярно-кинетическая теория
19. Распределение Максвелла и распределение Больцмана
20. Явления переноса
21. Классическая теория теплоемкости
22. Политропические процессы
инерции точки и тела относительно оси. Теорема Штейнера
23. Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики
24. Энтропия
25. Тепловые машины. Цикл Карно. Теорема Карно
26. Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики
Энтропия и вероятность. Третье начало термодинамики
27.
28. Реальные газы. Изотермы Ван-дер-Ваальса
29. Состояния вещества. Фазовые переходы
30. Строение жидкостей. Поверхностное натяжение. Капиллярные явления
31. Электрическое поле и его характеристики
32. Теорема Гаусса для вектора напряженности электрического поля
3
33. Электрическое поле в диэлектриках
34. Проводники в электростатическом поле
35. Электрическая емкость. Конденсаторы
36. Энергия электростатического поля
37. Законы постоянного тока
38. Законы Ома и Джоуля–Ленца в дифференциальной форме
39. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа
40. Магнитное поле в вакууме
41. Поток и циркуляция вектора В. Теорема о циркуляции
42. Сила Лоренца и сила Ампера
43. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях
44. Контур с токомв магнитном поле
45. Магнитное поле в веществе
46. Природа диамагнетизма и парамагнетизма, ферромагнетики
47. Электромагнитная индукция
48. Самоиндукция и индуктивность. Энергия магнитного поля
49. Уравнения Максвелла в интегральной форме
Свободные и вынужденные электрические колебания
50.
51. Законы переменного тока
52. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн
53. Интерференция света. Условия минимума и максимума интерференции
54. Понятие когерентности
55. Многолучевая интерференция
вектора В
56. Интерференция в тонких пленках
57. Дифракция. Принцип Гюйгенса – Френеля. Зоны Френеля
58. Дифракция Фраунгофера на щели
59. Дифракция на дифракционной
спектральный прибор
60. Поляризация света. Виды поляризации световых волн
61. Поляризация электромагнитных волн при отражении от границы раздела
двух диэлектриков
62. Отражение и преломление света на границе двух диэлектриков. Формулы
Френеля
63. Распространение света в веществе. Дисперсия
64. Законы теплового излучения
решетке. Дифракционная решетка как
4
65. Фотоны и их свойства
66. Волновые свойства микрочастиц
67. Волновая функция и ее свойства
68. Уравнение Шредингера
69. Собственные значения и собственные функции. Операторы в квантовой
механике
70. Квантовая частица в потенциальной яме
71. Прохождение квантовой частицы через потенциальный барьер
72. Квантовый гармонический осциллятор
73. Оптические атомные спектры
74.
75. Квантовая теория атома водорода
76. Квантование момента импульса электрона
77. Механический и магнитный моменты многоэлектронного атома
78. Химическая связь. Энергетические уровни молекул
79. Элементы квантовой статистики
80. Принцип Паули. Периодическая система элементов.
81. Зонная теория твердых тел
82. Состав и характеристики атомного ядра
83. Ядерные силы. Энергия связи ядер
84. Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада
85. Ядерные реакции. Деление и синтез атомных ядер
86. Виды взаимодействий и классы элементарных частиц
87. Космические лучи
88. Элементарные частицы
Теория Бора атома водорода
5
1. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ
x
x
)
x
)
)
)
x
Для описания движения материальной точки необходимо задать начало отсчета и
систему координат. Положение материальной точки в координатной системе в момент
r
времени t определяется координатами x, y, z или радиус-вектором
направление радиус-вектора определяются тремя его проекциями на оси координат:
, где
r rr
,,
eee
yz
– единичные векторы направлений
rr r r
rxe ye ze=++
(орты).
В процессе своего движения точка описывает некоторую линию, называемую
траекторией. Расстояние, пройденное материальной точкой по траектории, представляет
yz
rxyz=++
,
222
r
(рис. 1). Модуль и
r
собой путь s. Вектор
называется вектором перемещения. Зависимости координат материальной частицы
rΔ
, соединяющий начальную и конечную точки траектории,
r
ft=
1
yft=
(
,
2
zft=
(
,
(
или ее радиус-вектора
3
rft=
(
от времени называются
кинематическими уравнениями движения.
При равномерном прямолинейном движении вектор скорости определяется
следующим образом:
r
r
v
r
Δ
=
Δ
,
t
r
rΔ
где
− вектор перемещения, соответствующий промежутку времени tΔ. В случае
z
r
Рис. 1.
ds
dr
r+dr
прямолинейного движения путь
точкой за время tΔ, равен модулю перемещения
r
rsΔ =Δ
y
материальной точки в момент времени t есть
за это же время, и тогда
s
Δ
=
v
В общем случае мгновенная скорость
Δ
.
t
sΔ
, пройденный
первая производная по времени от радиус-вектора движущейся материальной точки:
r
r
dr
=
v
dt
Вектор скорости в каждой точке траектории направлен по касательной к траектории
в этой точке. Проекции вектора скорости на координатные оси x, y и z
6
dx
x
r
R
v
равны
а модуль скорости определяется выражением:
=
x
Для характеристики изменения скорости вводится
,
dt
dy
v
=
y
,
dt
dz
v
=
z
,
dt
r
ускорение
a
. В общем случае произвольного движения
vv v v
yz
.
222
= ++
ускорение материальной точки в данный момент времени
определяется какпервая производная от вектора скорости по
времени (или вторая производная вектора перемещения по
времени):
r
r
ddr
a
В каждой точке траектории вектор ускорения можно
разложить на две составляющие: одна из них направлена по
касательной к траектории в данной точке и называется тангенциальным ускорением
другая – по нормали к траектории и называется нормальным или центростремительным
v
==
dt dt
r
2
.
2
a
n
Рис. 2.
a
a
τ
r
ускорением n
вектора скорости, а центростремительное ускорение – изменение его направления в
данной точке траектории. Тангенциальное и нормальное ускорение определяются
a
(рис. 2). Тангенциальное ускорение определяет изменение величины
,
выражениями:
d
v
=
a
τ
Путь, пройденный материальной частицей за промежуток времени от момента
t
2
dt
a
,
2
v
=
n
.Полное ускорение
где v – модуль скорости.
aaa= +
s dt=
22
τ
t
2
v
∫
t
1
.
n
,
t
1
до
7
2. КИНЕМАТИКА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА
)
f
[
A
A
A
ВОКРУГ НЕПОДВИЖНОЙ ОСИ
Если тело не деформируется при вращении, то все его точки за малый интервал
ϕ
dϕ
, а само тело называется при этом
tϕ=
(
.
.
времени dt поворачиваются на один и тот же угол
абсолютно твердым. Функциональная зависимость угла поворота ϕ от времени
называется кинематическим уравнением вращательного движения
Если тело вращается вокруг неподвижной оси, то все его точки описывают
окружности с центром на оси вращения ОО’, а плоскости этих окружностей
перпендикулярны оси вращения (рис. 1). Быстрота вращения характеризуется угловой
скоростью, равной первой производной от угла поворота по времени:
d
ω=
dt
Так как вращение может осуществляться либо по
часовой, либо против часовой стрелки, то угловую скорость
принято рассматривать как векторную величину. Вектор
v
A
угловой скорости перпендикулярен плоскости окружности,
O
r
A
’
по которой движется каждая точка тела, направлен по оси
r
вращения и связан с направлением вращения правилом
r
правого винта. Задание вектора
B
O
Рис. 1.
связаны соотношением:
где квадратные скобки означают векторное произведение. Модуль вектора линейной
скорости
вращения, направление вращения и величину угловой
скорости.
Если начало отсчета выбрано в точке О, то положение
произвольной точки А твердого тела описывается радиус-
r
вектором
r
. Тогда векторы угловой и линейной скоростей
r
r
r
ω
rv=
]
,
r= ωv
,
ω
указывает положение оси
r
где
– радиус окружности, по которой движется эта точка.
8
В случае неравномерного движения по окружности угловая скорость ω меняется со
временем. Для характеристики этого изменения вводится угловое ускорение β,
определяемое соотношением
d
dt
ω
2
.
2
r
.
ω ϕ
dd
β= =
dt dt
При рассмотрении угловой скорости как вектора и угловое ускорение β должно
рассматриваться как вектор:
r
β=
Если движение материальной точки ускоренное, то векторы угловой скорости и
углового ускорения совпадают по направлению; если движение замедленное, эти векторы
направлены в противоположные стороны. Такие векторы, направление которых совпадает
с направлением некоторой оси, называются аксиальными. У них нет определенной точки
приложения, они могут изображаться в любом месте на оси вращения.
При равнопеременном вращении для величин угловой скорости и углового
ускорения выполняются соотношения (аналогичные соотношениям для линейной
скорости и линейного ускорения):
2
t
tω=ω +β
0
Так как угловое смещение всех точек твердого тела одинаково, то все его точки в
один и тот же момент времени имеют одинаковые угловую скорость и угловое ускорение.
Линейная скорость и линейное ускорение для различных точек различны.
3. ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА
В основе динамики лежат три закона Ньютона. Первый закон Ньютона (закон
инерции) касается движения тел, не испытывающих внешних воздействий: всякое тело
сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор,
пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.
ϕ=ϕ +
,
β
t
0
.
2
ϕ=
ω −ω
2
β
0
.
Второй закон Ньютона устанавливает связь между изменением движения и
внешними воздействиями на рассматриваемое тело. Для количественного описания
воздействия тел друг на друга вводится понятие силы. Сила – векторная величина,
9
которая определяется величиной или модулем F, направлением в пространстве и точкой
r
p
rr r
приложения. Если к материальной точке приложено несколько сил
,,FFF
123
K
, их
r rr r
действие эквивалентно действию одной силы
r
суперпозиции). Сила
Второй закон Ньютона утверждает, что изменение скорости движения тела
(ускорение) пропорционально приложенной силе и происходит по направлению той
прямой, по которой эта сила действует:
F
называется равнодействующей сил
FFF F= +++
123
r rr
FFF
,,
123
K
K
(принцип
.
r
или
r
Fma=
r
,
F
r
=
a
m
r
коэффициент пропорциональности m называется массой тела, а сила
равнодействующей всех сил, приложенных к телу. В механике масса – основная
характеристика тела, показывающая его способность противостоять ускоряющим силам,
т.е. масса характеризует инертность материального тела. Масса тела зависит от его
размеров и природы вещества. Последующее развитие физики привело к выводу, что
масса тела зависит от его скорости. Однако при скоростях, малых по сравнению со
скоростью света, эта зависимость очень слаба и масса может считаться постоянной. В
единицах СИ масса измеряется в килограммах (кг), а сила в ньютонах (Н).
Второму закону Ньютона можно придать другую форму, учитывая определение
ускорения:
F
является
d
mF
dt
r
v
=
, (1)
r
v
()dm
или
силы. Тогда второй закон Ньютона принимает вид:
т.е. изменение импульса тела равно импульсу силы, вызвавшей это изменение.
позволяет определить зависимость координат и скорости материальной точки от времени,
dt
Величина
Выражение (1) называется уравнением движения материальной точки. Оно
r
=
F
.
r
r
v
m=
называется импульсом материальной точки, а
r
Fdt d m=
r
()
v
,
r
Fdt
– импульсом
r
F
т.е. найти траекторию ее движения. При этом помимо вида функции
заданы начальные условия: положение и скорость частицы в начальный момент времени.
10
, должны быть
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]