Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Задачи и примеры решения. Учебное пособие [для обучающихся заочной формы обучения технических направлений подготовки и специальностей]
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОНИКИ И РАДИОФИЗИКИ
Р. Р. Пепенин, Е. В. Мурга, С. Д. Кузьминова,
С. А. Юрьев, Е. Р. Малюта
ФИЗИКА. ЗАДАЧИ И ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ
Учебное пособие
Рекомендовано Ученым советом ФГБОУ ВО «ДонГТУ»
Алчевск, 2024
ББК 22.3я73
УДК 53
Ф48
Р. Р. Пепенин, канд. техн. наук, доц.; Е. В. Мурга, ст. преп.;
С. А. Юрьев, канд. техн. наук, доц.; Е. Р. Малюта, ассист.
Р. Ю. Ткачев — канд. техн. наук, доц. кафедры АЭУТП
А. В. Чаленко — канд. техн. наук, доц. кафедры физики
Рекомендовано Ученым советом ФГБОУ ВО «ДонГТУ»
Ф48
обучающихся заочной формы обучения технических направлений
подготовки и специальностей] / Р. Р. Пепенин, Е. В. Мурга,
С. Д. Кузьминова, С. А. Юрьев, Е. Р. Малюта. — Алчевск : ФГБОУ
ВО «ДонГТУ», 2024. — 176 с.
С. Д. Кузьминова, канд. техн. наук, доц.;
Рецензенты:
ФГБОУ ВО «ДонГТУ», (г. Алчевск);
ФГБОУ ВО «ЛГУ им. В. Даля», (г. Луганск).
(Протокол № 4 от 24.11.2023)
Физика. Задачи и примеры решения : учебное пособие [для
Учебное пособие включает программу, расписанную в соответствии
с темами курса, включая содержание каждой темы; задачи для самостоятельного решения согласно разделам курса физики: механика, молекулярная физика и термодинамика, электростатика и постоянный ток, электромагнетизм, колебания и волны, оптика, физика атомов и молекул, квантовая
механика, ядерная физика и элементарные частицы, — а так же примеры
решения задач и основные формулы. В приложении представлены справочные таблицы.
Составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины «Физика» для технических направлений подготовки и может быть использовано
студентами заочной формы обучения.
ББК 22.3я73
УДК 53
© ФГБОУ ВО «ДонГТУ», 2024
© Р. Р. Пепенин, Е. В. Мурга,
С. Д. Кузьминова, С. А. Юрьев,
Е. Р. Малюта, 2024
© Н. В. Чернышева, художественное
оформление обложки, 2024
СОДЕРЖАНИЕ
Общие методические указания к решению задач и выполнения
контрольных работ ...................................................................................... 4
Программа по физике для обучающихся заочной формы обучения ....... 6
1 Физические основы классической механики ........................................ 16
1.1 Основные формулы ........................................................................... 16
1.2 Примеры решения задач ................................................................... 21
1.3 Задачи для самостоятельного решения ............................................ 29
2 Молекулярная физика и термодинамика ............................................... 36
2.1 Основные формулы ........................................................................... 36
2.2 Примеры решения задач ................................................................... 44
2.3 Задачи для самостоятельного решения ............................................ 56
3 Электростатика. Постоянный ток .......................................................... 61
3.1 Основные формулы ........................................................................... 61
3.2 Примеры решения задач ................................................................... 66
3.3 Задачи для самостоятельного решения ............................................ 76
4 Электромагнетизм. Колебания и волны ................................................ 85
4.1 Основные формулы ........................................................................... 85
4.2 Примеры решения задач ................................................................... 90
4.3 Задачи для самостоятельного решения .......................................... 111
5 Оптика ................................................................................................... 119
5.1 Основные формулы ......................................................................... 119
5.2 Примеры решения задач ................................................................. 125
5.3 Задачи для самостоятельного решения .......................................... 136
6 Физика атомов и молекул. Основы квантовой механики. Физика
твердого тела. Ядерная физика и элементарные частицы ..................... 143
6.1 Основные формулы ......................................................................... 143
6.2 Примеры решения задач ................................................................. 148
6.3 Задачи для самостоятельного решения .......................................... 155
Вопросы для подготовки к экзамену ...................................................... 161
Приложения ............................................................................................. 165
Список литературы .................................................................................. 176
3
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
ЗАДАЧ И ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
1. За время изучения курса общей физики обучающийся заочной
формы обучения должен выполнить от одной до трех контрольных работ в зависимости от направления подготовки или специальности.
2. Номера задач, которые обучающийся должен включить в свою
контрольную работу, определяются по таблицам вариантов, которые
выдает лектор.
3. Контрольные работы можно оформлять в школьной тетради в
рукописном варианте или на листах формата А4 (рукописный или печатный текст).
Титульный лист оформляется по следующему образцу:
высшего образования
«Донбасский государственный технический университет»
Кафедра электроники радиофизики
Контрольная работа №__
по физике
Выполнил: Иванов И.А.
Группа ГМ-21з
Вариант №_______
Проверил: ФИО лектора
Дата проверки ___________
Оценка ___________
20___г.
4. Условия задач контрольной работы необходимо переписать
полностью без сокращений. Для замечаний преподавателя на страницах
тетради оставлять поля.
5. В конце контрольной работы указать, каким учебником или
учебным пособием студент пользовался при изучении физики (оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ). Это делается для того,
чтобы рецензент мог указать студенту при необходимости, на какие
разделы курса физики надо обратить внимание.
6. Высылать на рецензию следует одновременно не более одной
работы. Во избежание одних и тех же ошибок очередную работу следует высылать только после получения рецензии на предыдущую.
4
7. Если контрольная работа при рецензировании не зачтена, студент обязан представить ее на повторную рецензию, включив в нее те
задачи, решения которых оказались неверными. Повторную работу
необходимо представить вместе с не зачтенной.
8. Зачтенные контрольные работы предъявляются экзаменатору.
Студент должен быть готов во время экзамена дать пояснения по существу решения задач, входящих в контрольные работы.
9. Решения задач следует сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями; в тех случаях, когда это, возможно, дать чертеж,
выполненный с помощью чертежных принадлежностей.
10. Решать задачу надо в общем виде, т. е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи.
При таком способе решения не производятся вычисления промежуточных величин.
11. После получения расчетной формулы для проверки правильности ее следует подставить в правую часть формулы вместо символов
величин обозначения единиц этих величин, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица
соответствует искомой величине. Если такого соответствия нет, то это
означает, что задача решена неверно.
12. Числовые значения величин при подстановке их в расчетную
формулу следует выражать только в единицах СИ. В виде исключения
допускается выражать в любых, но одинаковых единицах числовые значения однородных величин, стоящих в числителе и знаменателе дроби и
имеющих одинаковые степени.
13. При подстановке в расчетную формулу, а также при записи
ответа числовые значения величин следует записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 3520 надо записать
3,52·103, вместо 0,00129 записать 1,29·10 -3 и т. п.
14. Вычисления по расчетной формуле надо проводить с соблюдением правил приближенных вычислений. Как правило, окончательный ответ следует записывать с тремя значащими цифрами. Это относится и к случаю, когда результат получен с применением калькулятора.
5
ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ ОБУЧАЮЩИХСЯ
ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
ВСТУПЛЕНИЕ
Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Связь физики с другими науками. Общая
структура и задачи курса физики. Роль физики в становлении инженера.
1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
Тема 1.1 Элементы кинематики
Предмет механики. Кинематика и динамика. Механическое движение как простейшая форма движения материи. Понятия о свойствах
пространства и времени, которые лежат в основе классической механики. Элементы кинематики материальной точки. Скорость и ускорение
точки как производные радиус-вектора по времени. Нормальное и тангенциальное ускорение. Постепенное движение твердого тела.
Элементы кинематики вращательного движения твердого тела.
Угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейными скоростью
и ускорением точек твердого тела.
Тема 1.2 Динамика
Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела. Законы Ньютона. Импульс. Закон сохранения импульса. Неупругий удар. Реактивное движение.
Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции. Закон всемирного тяготения.
Тема 1.3 Энергия и работа
Энергия как универсальная мера различных форм движения и
взаимодействий. Работа силы и ее выражение через криволинейный интеграл. Мощность. Консервативные и неконсервативные силы. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике.
Диссипация энергии. Общефизический закон сохранения и преобразования энергии. Абсолютно упругий удар. Условия равновесия механической системы.
6
Тема 1.4 Вращательное движение твердого тела.
Понятие абсолютно твердого тела. Момент силы. Момент инерции тела относительно оси. Теорема Штейнера. Уравнение динамики
вращательного движения. Момент импульса. Закон сохранения момента
импульса. Кинетическая энергия вращающегося тела.
Тема 1.5 Элементы специальной теории относительности (СТО)
Инерциальные системы отсчета и принцип относительности. Преобразование координат Галилея. Постулаты СТО. Преобразование координат Лоренца. Относительность длин и интервалов времени. Релятивистский закон сложения скоростей. Релятивистский закон динамики
материальной точки. Взаимосвязь энергии и массы. Выражение кинетической энергии.
Принцип эквивалентности. Понятие об общей теории относительности. Предел применения классической (Ньютоновской) механики.
2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Тема 2.1 Термодинамические системы. Идеальный газ
Статистический и термодинамический методы исследования.
Термодинамические параметры. Уравнение состояния. Термодинамические процессы и их изображения на термодинамических диаграммах.
Уравнение идеального газа. Вывод уравнения молекулярнокинетической теории идеального газа для давления и его сравнение с
уравнением Клапейрона-Менделеева. Средняя кинетическая энергия
молекулы. Молекулярно-кинетическое толкование температуры.
Тема 2.2 Статистические распределения
Распределение молекул по скоростям. Функция распределения.
Распределение Максвелла для скоростей молекул идеального газа.
Наиболее вероятная, средняя арифметическая и средняя квадратичная скорость молекул. Экспериментальная проверка закона Максвелла. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега
молекул. Степени свободы. Закон равномерного распределения энергии
по степеням свободы молекул. Внутренняя энергия идеального газа.
7
Тема 2.3 Явления переноса
Явления переноса в термодинамических неравновесных системах.
Экспериментальные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Молекулярно-кинетическая теория этих явлений.
Тема 2.4 Основы термодинамики
Внутренняя энергия системы. Работа и теплота. Первый закон
термодинамики. Графическое изображение термодинамических процессов и работы. Теплоемкость газа. Уравнение Майера. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу
идеального газа. Зависимость теплоемкости идеального газа от вида
процесса. Ограниченность классической молекулярно-кинетической
теории теплоемкости идеального газа.
Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно. Тепловые и
холодильные машины. Второй закон термодинамики. Энтропия. Теорема Клаузиуса. Статистическое толкование второго закона термодинамики. Предел применения второго закона термодинамики.
Тема 2.5 Реальные газы. Фазовые преобразования
Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Изотермы Эндрюса. Критическая точка. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона. Фазовые переходы первого и второго рода. Фазовые диаграммы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Особенности жидкого и твердого состояний вещества.
3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Тема 3.1 Электростатика
Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.
Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Закон
Кулона. Электрический диполь. Поток вектора напряженности. Теорема
Остроградского-Гаусса и ее применение. Работа электрического поля.
Потенциал. Связь потенциала с напряженностью электрического поля.
Энергия взаимодействия электрических зарядов.
Электрическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды в
диэлектриках. Типы диэлектриков. Поляризованность. Диэлектрическая
8
восприимчивость вещества и его зависимость от температуры. Сегнетоэлектрики. Электреты.
Проводники в электрическом поле. Поле в середине проводника и
на его поверхности. Электростатическая защита. Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного проводника. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.
Тема 3.2 Постоянный электрический ток
Постоянный электрический ток, его характеристики и условия
существования. Классическая электронная теория электропроводности
металлов и ее экспериментальное обоснование. Закон Ома и ДжоуляЛенца в электронной теории. Обобщенный закон Ома. Разность потенциалов, электродвижущая сила, напряжение.
Трудности классической электронной теории металлов.
Правила Кирхгофа. Предел применения закона Ома. Электрический ток в газах. Плазма. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.
4 ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Тема 4.1 Магнитное поле
Магнитное поле. Графическое изображение магнитных полей.
Правило буравчика. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции.
Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле
кругового тока. Магнитный момент витка с током. Циркуляция вектора
магнитной индукции для магнитного поля в вакууме и ее применение к
расчету магнитного поля длинного соленоида и тороида.
Тема 4.2 Движение заряженных частиц в магнитном поле
Закон Ампера и сила Лоренца. Взаимодействие параллельных
проводников с током. Определение единицы силы тока-ампера. Эффект
Холла. МГД-генератор. Движение заряженных частиц в однородном
магнитном поле. Ускорители заряженных частиц. Масс-спектрометрия.
Тема 4.3 Электромагнитная индукция
Магнитный поток. Теорема Остроградского-Гаусса. Работа перемещения проводника с током в магнитном поле. Закон электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Закон Ленца. Вывод закона электромагнитной индукции из закона сохранения энергии, а также на основе
9
электронной теории. Электрический ток в витке, движущемся в однородном магнитном поле. Генератор тока. Токи Фуко. Индуктивность.
Явление самоиндукции. Скин-эффект.
Закон изменения тока в цепи с индуктивностью и сопротивлением. Экстра-токи замыкания и размыкания. Энергия проводника с током.
Объемная плотность энергии магнитного поля.
Тема 4.4 Магнитное поле в веществе
Магнитное поле в магнетиках. Намагниченность. Магнитная восприимчивость. Магнитные свойства твердых тел. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики. Ферромагнетизм.
Элементарная теория диа- и парамагнетизма. Закон Кюри. Природа
ферромагнетизма. Магнитные свойства атомов. Спиновый магнитный
момент атома. Магнитная проницаемость вещества. Опыты Столетова.
Магнитный гистерезис.
Тема 4.5 Уравнения Максвелла
Явление электромагнитной индукции с точки зрения Фарадея и
Максвелла. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. Ток
смещения. Бетатрон. Скорость распространения электромагнитного поля. Единство электрических, магнитных и оптических явлений.
5 КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Тема 5.1 Колебания в механических системах и колебательных контурах
Гармонические колебания (механические и электромагнитные) и
их характеристики. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический маятники.
Электрический колебательный контур. Добротность контура. Энергия
гармонических колебаний.
Тема 5.2 Сложение колебаний
Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковых частот. Биение. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу. Затухающие колебания (механические и электромагнитные). Логарифмический декремент.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]