Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практикум по физике. В 2 частях. Ч.1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика. Учебно-методическое пособие для учащихся профильных классов
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ИМЕНИ Г.Р. ДЕРЖАВИНА»
ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ
Учебно-методическое пособие
для учащихся профильных классов
В двух частях
Часть I.
МЕХАНИКА. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
ТАМБОВ 2019
УДК 53
П69
Практикум по физике [Электронный ресурс] : учебнометодическое пособие для учащихся профильных классов :
в 2 ч. Ч. I. Механика. Молекулярная физика и термодинамика /
авт.-сост. Р.Ю. Кольцов ; М-во науки и высш. обр. РФ,
ФГБОУ ВО «Тамб. гос. ун-т им. Г.Р. Державина». – Электрон. дан.
(1 файл). – Тамбов, 2019. – Режим доступа:
https://elibrary.tsutmb.ru/dl/docs/elib542.pdf. ограниченный. – Загл. с
экрана.
ISBN 978-5-00078-260-6
Учебно-методическое пособие предназначено для подготовки обучающихся 10–11 классов к государственной итоговой аттестации по физике в рамках изучаемых учебных предметов «Физика» и «Практикум по
физике». Пособие направлено на углубленное изучение и понимание
разделов физики «Механика», «Молекулярная физика» и «Термодинамика». Включает типовые задачи в формате ЕГЭ по физике в порядке, указанном в Кодификаторе, и рекомендации к их решению в контексте наиболее распространенных ошибок, допускаемых выпускниками. Приводятся обобщенные алгоритмы для решения задач по ряду тем. Также
представлен перечень и описание электронных ресурсов, направленных
на комплексную подготовку к ЕГЭ по физике.
Пособие предназначено для учителей физики и учащихся общеоб-
разовательных школ.
УДК 53
ББК 22.3
ISBN 978-5-00078-260-6
© ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный университет
имени Г.Р. Державина», 2019
ББК 22.3
П69
кандидат физико-математических наук Р.Ю. Кольцов
Л.Г. Карыев, доктор физико-математических наук,
профессор кафедры профильной довузовской подготовки ТГУ им. Г.Р. Державина;
В.М. Дмитриев, доктор технических наук,
профессор кафедры «Безопасность и правопорядок»
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
Автор-составитель:
Рецензенты:
2
СОДЕРЖАНИЕ
Раздел 1. МЕХАНИКА .................................................................................... 9
1.1. КИНЕМАТИКА ..................................................................................... 14
1.1.1. Механическое движение. Относительность
механического движения. Система отсчета............................ 14
1.1.2. Материальная точка. Радиус-вектор, траектория,
перемещение, путь, сложение перемещений .......................... 14
1.1.3. Скорость материальной точки. Сложение скоростей ........... 16
1.1.4. Ускорение материальной точки ............................................... 17
1.1.5. Равномерное прямолинейное движение ................................. 18
1.1.6. Равноускоренное прямолинейное движение .......................... 19
1.1.7. Свободное падение. Ускорение свободного падения.
Движение тела, брошенного под углом к горизонту ............. 23
1.1.8. Движение точки по окружности. Линейная и угловая
скорость точки. Центростремительное ускорение точки ...... 26
1.1.9. Твердое тело. Поступательное и вращательное движение
твердого тела ............................................................................. 27
1.2. ДИНАМИКА .......................................................................................... 29
1.2.1. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона.
Принцип относительности Галилея......................................... 29
1.2.2. Масса тела. Плотность вещества ............................................. 29
1.2.3. Сила. Принцип суперпозиции сил ........................................... 30
1.2.4. Второй закон Ньютона ............................................................. 31
1.2.5. Третий закон Ньютона .............................................................. 33
1.2.6. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. .......................... 34
1.2.7. Движение небесных тел и их искусственных спутников.
Первая и вторая космические скорости .................................. 35
1.2.8. Сила упругости. Закон Гука. ................................ .................... 36
1.2.9. Сила трения ............................................................................... 41
1.2.10.Давление .................................................................................... 42
1.3. СТАТИКА ........................................................................................... 44
1.3.1. Момент силы относительно оси вращения ............................. 44
1.3.2. Условия равновесия твердого тела в ИСО ............................. 45
1.3.3. Закон Паскаля ............................................................................ 48
1.3.4. Давление в жидкости, покоящейся в ИСО ............................. 49
1.3.5. Закон Архимеда. Условие плавания тел ................................. 50
1.4. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ ......................................... 54
1.4.1. Импульс материальной точки и системы тел ........................ 54
1.4.2. Закон изменения и сохранения импульса .............................. 55
1.4.3. Работа силы ............................................................................... 58
1.4.4. Мощность силы ......................................................................... 58
1.4.5. Кинетическая энергия материальной точки. Закон
изменения кинетической энергии системы материальных
точек ........................................................................................... 59
1.4.6. Потенциальная энергия в однородном поле тяжести и
упруго деформированного тела ............................................... 61
1.4.7. Закон изменения и сохранения механической энергии ......... 62
1.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ ................................... 64
1.5.1. Гармонические колебания. Амплитуда и фаза колебаний.
Кинематическое, динамическое и энергетическое
описания ..................................................................................... 64
1.5.2. Период и частота колебаний малых свободных колебаний
математического и пружинного маятников ............................ 65
1.5.3. Вынужденные колебания. Резонанс. Резонансная кривая .... 67
1.5.4. Поперечные и продольные волны. Скорость
распространения и длина волны. Интерференция и
дифракция волн ......................................................................... 68
1.5.5. Звук. Скорость звука ................................................................. 69
Раздел II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА ............ 71
2.1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА ............................................................... 74
2.1.1. Модели строения газов, жидкостей и твердых тел ................ 74
2.1.2. Тепловое движение атомов и молекул вещества ................... 75
2.1.3. Взаимодействие частиц вещества ............................................ 76
2.1.4. Диффузия. Броуновское движение .......................................... 77
2.1.5. Модель идеального газа в МКТ ............................................... 78
2.1.6. Основное уравнение МКТ ........................................................ 79
2.1.7. Абсолютная температура. Связь температуры газа со
средней кинетической энергией поступательного
теплового движения его частиц ............................................... 81
2.1.8. Уравнение p = nkT..................................................................... 81
2.1.9. Модель идеального газа в термодинамике. Уравнение
Менделеева–Клапейрона. Выражение для внутренней
энергии одноатомного идеального газа .................................. 83
2.1.10. Закон Дальтона для давления смеси разреженных газов ..... 85
2.1.11. Изопроцессы в разреженном газе с постоянным числом
частиц N. Графическое представление изопроцессов на
pV-, pT- и VT-диаграммах ........................................................ 86
2.1.12. Насыщенные и ненасыщенные пары. Качественная
зависимость плотности и давления насыщенного пара от
4
температуры, их независимость от объема насыщенного
пара ............................................................................................. 89
2.1.13. Влажность воздуха. Относительная влажность .................... 91
2.1.14. Изменение агрегатных состояний вещества: испарение
и конденсация, кипение жидкости .......................................... 92
2.1.15. Изменение агрегатных состояний вещества: плавление
и кристаллизация....................................................................... 95
2.1.16. Преобразование энергии в фазовых переходах ..................... 96
2.2. ТЕРМОДИНАМИКА ............................................................................ 98
2.2.1. Тепловое равновесие и температура ....................................... 98
2.2.2. Внутренняя энергия .................................................................. 98
2.2.3. Теплопередача как способ изменения внутренней энергии
без совершения работы. Конвекция, теплопроводность,
излучение ................................................................................... 99
2.2.4. Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества ..... 101
2.2.5. Удельная теплота парообразования, плавления и
сгорания топлива ..................................................................... 102
2.2.6. Элементарная работа в термодинамике. Вычисление
работы по графику процесса на pV-диаграмме .................... 103
2.2.7. Первый закон термодинамики. Адиабата ............................ 105
2.2.8. Второй закон термодинамики, необратимость ..................... 107
2.2.9. Принципы действия тепловых машин. КПД ........................ 108
2.2.10.Максимальное значение КПД. Цикл Карно.......................... 110
2.2.11. Уравнение теплового баланса ............................................... 112
ОТВЕТЫ ......................................................................................... 113
ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ ............................................................................... 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................... 119
5
Общие рекомендации
Чтобы правильно и осмысленно решать задачи по физике, не-
обходимо следовать следующему алгоритму:
1. Внимательно прочитайте условие задачи.
2. Установите, о каких физических явлениях идѐт речь в за-
даче.
3. Вспомните основные количественные и качественные за-
кономерности, объясняющие эти явления.
4. Определите, что требуется найти в задаче.
5. Установите, какие физические величины даны в задаче. Не
забудьте о табличных величинах.
Примечание: Иногда использование табличных величин за-
шифровано текстовой информацией:
– определить массу молекулы азота
– найти количество вещества в массе алюминия
6. Переведите, если это необходимо, физические величины в
систему СИ (стандартные единицы измерения).
7. Определите, какие количественные зависимости надо ис-
пользовать в решении. Для этого лучше всего определить количественные зависимости, куда входит искомая физическая величина,
а также данные физических величин по условию задачи.
8. Используя преобразования в физических формулах, полу-
чите окончательную расчѐтную формулу.
Примечание: при проверке правильности полученной форму-
лы используйте размерность физической величины.
Например: Если мы должны найти силу F, то в результате со-
кращения размерности должны получить H (Ньютон), если получили что-то другое, значит, формула получена не верно.
9. Выполните вычисления по полученной формуле.
10. Запишите ответ задачи в системе СИ или в других требуе-
мых единицах измерения.
Иногда, для успешного решения задачи требуется выполнить
чертѐж. Помните о том, что правильно выполненный чертѐж помогает в решении задач, это 50% вашего успеха.
6
Рекомендации сдающим ЕГЭ по физике
1. Как известно, только несколько заданий ЕГЭ имеют теоре-
тический характер, абсолютно большая часть – это задачи. Значит
надо уметь решать задачи по физике. Главное для этого – не заучивать формулы, а вникать в суть физических законов и понятий.
2. Для решения задач с развернутым ответом (оцениваемых
в 3 балла) очень важно знать формулы из Кодификатора, т.к. в качестве исходных принимаются формулы, указанные в нем.
Если использовать в качестве исходной не указанную в кодификаторе формулу, то работа оценивается, исходя из отсутствия
одной из необходимых для решения формул (минус 2 балла из 3).
Например, экзаменуемый может в качестве исходной использовать формулу для изменения внутренней энергии одноатомного
идеального газа ∆U=3/2∆(PV) (поскольку в кодификаторе есть
U=3/2PV). Однако формулу для расчета количества теплоты, полученной газом в изохорном процессе, Q=3/2∆(PV), в качестве исходной использовать нельзя (отсутствует в кодификаторе). Такая
работа оценивается в 1 балл, даже при наличии верного дальнейшего решения и числового ответа.
3. За решение задач, требующих развернутого ответа, на эк-
замене можно получить один или два балла даже в том случае, если задача не доведена до конца. Поэтому всегда имеет смысл записывать решение, даже когда оно не закончено, не проведен числовой расчет или результат вызывает сомнение.
4. Заданиям на установление соответствия и на множествен-
ный выбор следует уделить особое внимание. Их количество
в КИМ за последние годы существенно увеличилось. Результат
выполнения задания оценивается в 2 балла, если верно указаны все
элементы ответа, и в 1 балл, если допущена одна ошибка. Надо
постараться выполнить эти задания, так как они вносят существенный вклад в окончательный результат.
5. Для решения задач необходимо владеть простой математи-
ческой техникой. Сложить векторы, выразить нужную величину из
формулы, найти сторону треугольника, не путаться в синусахкосинусах.
7
6. Случаются обидные потери баллов на ЕГЭ из-за невнима-
тельного прочтения условия задачи.
Например, в предложении «Выберите из приведенных ниже
два утверждения, не соответствующих результатам экспериментального исследования» упускают из внимания частицу «не» и
дают «противоположный» ответ.
Или, например, ответ требуется дать в мДж, но ученик прилежно дает ответ в системе СИ, в Дж (в бланк вносится 0,2, а правильно должно быть 200).
7. Также к потерям баллов приводят «детские» ошибки в вы-
числениях. Для минимизации этого фактора следует уже на этапе
подготовки использовать тот калькулятор (непрограммируемый,
с тригонометрическими функциями sin, cos и натуральным логарифмом), с которым Вы планируете пойти на ЕГЭ.
В ЕГЭ 2019 года (как и в 2018-м) будет 32 задания, различающихся формой и уровнем сложности. Часть 1 содержит 24 задания
с кратким ответом. Из них 13 заданий с записью ответа в виде
числа, слова или двух чисел, 11 заданий на установление соответствия и множественный выбор, в которых ответы необходимо записать в виде последовательности цифр. Часть 2 содержит 8 заданий, объединенных общим видом деятельности – решение задач.
Из них 3 задания с кратким ответом (25–27) и 5 заданий (28–32),
для которых необходимо привести развернутый ответ. Более подробно о структуре, регламенте и оцениванию ЕГЭ можно прочитать в официальном документе «Спецификация контрольных измерительных материалов», выложенном на сайте ФИПИ (http://
fipi.ru/ege-i-gve-11/demoversii-specifikacii-kodifikatory).
Данное пособие ориентировано на решение задач с кратким
ответом.
8
Раздел 1.
МЕХАНИКА
Рекомендации по теме «Кинематика»
Алгоритм решения кинематических задач:
1. Выбрать систему отсчета (это предполагает выбор тела от-
счета, начала системы координат, положительного направления
осей, момента времени, принимаемого за начальный).
2. Определить вид движения вдоль каждой из осей и написать
кинематические уравнения движения вдоль каждой оси уравнения
для координаты и для скорости (если тел несколько, уравнения
пишутся для каждого тела).
3. Определить начальные условия (координаты и проекции
скорости в начальный момент времени), а также проекции ускорения на оси и подставить эти величины в уравнения движения.
4. Определить дополнительные условия, т.е. координаты или
скорости для каких-либо моментов времени (т.е. подставить эти
значения координат и скорости в уравнения движения).
5. Полученную систему уравнений решить относительно ис-
комых величин.
Важно помнить, что:
1. Значительная часть кинематических задач (особенно на
свободное падение тел при различных вариантах их броска) легко
решается, если отработан навык применения формул зависимости
координаты и проекции скорости от времени при равноускоренном движении.
2. При движении тела по окружности полное ускорение скла-
дывается (векторно!) из двух взаимно перпендикулярных составляющих векторов – нормального и тангенциального ускорений.
Нормальное (оно же центростремительное) «отвечает» за изменение скорости по направлению, а тангенциальное – за изменение
скорости по модулю. Условно говоря, нормальное ускорение возникает при повороте автомобиля, а тангенциальное при изменении
показаний на спидометре.
Рекомендации по теме «Динамика»
9
Алгоритм применения второго закона Ньютона к решению задач по динамике:
1. Выбрать систему отсчета.
2. Найти все силы, действующие на тело, и изобразить их на
чертеже. Определить (или предположить) направление ускорения
и изобразить его на чертеже.
3. Записать уравнение второго закона Ньютона в векторной
форме и перейти к скалярной записи, заменив все векторы их проекциями на оси координат.
4. Исходя из физической природы сил, выразить силы через
величины, от которых они зависят.
5. Если в задаче требуется определить положение или ско-
рость точки, то к полученным уравнениям динамики добавить кинематические уравнения.
6. Полученную систему уравнений решить относительно ис-
комых величин.
Важно помнить, что:
1. Направление ускорения тела всегда совпадает с направле-
нием равнодействующей всех сил, приложенных к телу.
2. Если применять второй закон Ньютона при движении тела
по окружности, то ускорение в формулу ставим общее (просто буква а). Оно (ускорение) «превращается» в центростремительное
(ацс) только в трех случаях:
а) если результирующая всех приложенных к телу сил направлена к центру окружности;
б) при движении тела по окружности с постоянной по моду-
лю скоростью (частный случай предыдущего пункта);
в) при записи второго закона Ньютона в проекциях на ось,
направленную от точки окружности к ее центру.
3. В третьем законе Ньютона силы приложены к разным те-
лам. Например, некоторые ошибочно предполагают, что телефон
покоится на столе, потому что по третьему закону Ньютона сила
тяжести равна по модулю и противоположна по направлению силе
реакции опоры. mg и N здесь связаны вторым законом Ньютона,
а в третьем «участвуют» вес тела P (приложенный к столу) и сила
реакции опоры (приложенная к телефону).
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]