МИНИСТЕРСТВОСЕЛЬСКОГОХОЗЯЙСТВАРОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА. КАЛУЖСКИЙ ФИЛИАЛ
ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ
Калуга 2013
И.В. ИВАНОВ
Рецензенты:
Кафедра общей физики МФТИ
(к.т.н., доцент В.А. Овчинкин)
Кафедра высшей математики и экономической кибернетики КФ РГАУ – МСХА (к.ф-м.н., доцент К.Н. Каширин)
ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ: Учебное пособие: Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Агроинженерия». – Калуга: КФ РГАУ – МСХА, 2013. – 174 с.
Учебное пособие представляет собой курс лекций по физике, прочитанных автором в течение ряда лет в Калужском филиале Московской сельскохозяйственной академии. Материал структурирован по основным разделам физики с целью формирования у студентов ясного понимания, на каких законах базируются встречающиеся на практике физические явления или технологические процессы.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Агроинженерия», а также преподавателей, осуществляющих подготовку по физике.
Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией агрономического факультета по направлению «Агроинженерия», протокол № 2 от 27.02.13.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.................................................................................................................................................... |
5 |
Глава I. МЕХАНИКА |
|
Лекция 1. Кинематика материальной точки.................................................................................... |
6 |
1.1. Основные характеристики движения (общий случай) ............................................................. |
6 |
1.2. Прямолинейное движение........................................................................................................... |
7 |
1.3. Движение по окружности............................................................................................................ |
8 |
1.4. Движение в поле тяжести (свободное падение) ...................................................................... |
10 |
Лекция 2. Динамика материальной точки...................................................................................... |
11 |
2.1. Законы Ньютона......................................................................................................................... |
11 |
2.2. Закон сохранения импульса ...................................................................................................... |
14 |
2.3. Работа и мощность. Кинетическая энергия............................................................................. |
15 |
2.4. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии............................................................... |
16 |
Лекция 3. Вращательное движение твердого тела. Статика....................................................... |
18 |
3.1. Момент силы и момент импульса относительно точки. Уравнение моментов.................... |
19 |
3.2. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела............................ |
20 |
3.3. Моменты инерции некоторых тел............................................................................................ |
22 |
3.4. Закон сохранения момента импульса. Энергия вращающегося тела.................................... |
23 |
3.5. Статика........................................................................................................................................ |
25 |
Лекция 4. Механические колебания. Акустика............................................................................. |
26 |
4.1. Гармонические колебания и их характеристики..................................................................... |
26 |
4.2. Затухающие колебания.............................................................................................................. |
28 |
4.3. Вынужденные колебания........................................................................................................... |
29 |
4.4. Механические волны.................................................................................................................. |
30 |
4.5. Физические характеристики звуковых волн............................................................................ |
32 |
4.6. Восприятие звука........................................................................................................................ |
34 |
Лекция 5. Упругие свойства твердых тел....................................................................................... |
37 |
5.1. Деформации растяжения и сжатия........................................................................................... |
37 |
5.2. Другие виды деформаций.......................................................................................................... |
39 |
Лекция 6. Гидродинамика.................................................................................................................. |
41 |
6.1. Стационарное движение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли.................................. |
41 |
6.2. Вязкость жидкости. Формула Стокса....................................................................................... |
43 |
6.3. Течение вязкой жидкости по горизонтальной трубе. Формула Пуазейля............................ |
45 |
Глава II. ТЕРМОДИНАМИКА |
|
Лекция 7. Основные положения молекулярно-кинетической теории ...................................... |
47 |
7.1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов............................................ |
47 |
7.2. Молекулярно-кинетический смысл температуры................................................................... |
48 |
7.3. Закон распределения молекул по скоростям........................................................................... |
49 |
7.4. Уравнение состояния идеального газа. Экспериментальные газовые законы..................... |
52 |
Лекция 8. Первое начало термодинамики. Теплоемкость........................................................... |
54 |
8.1. Первое начало термодинамики. Теплоемкость....................................................................... |
54 |
8.2. Первое начало термодинамики для различных процессов..................................................... |
56 |
Лекция 9. Второе начало термодинамики. Энтропия................................................................... |
58 |
9.1. Две формулировки второго начала термодинамики. Цикл Карно........................................ |
59 |
9.2. Неравенство Клаузиуса. Энтропия........................................................................................... |
61 |
Лекция 10. Явления переноса............................................................................................................ |
64 |
10.1. Теплопроводность и конвекция.............................................................................................. |
64 |
10.2. Диффузия .................................................................................................................................. |
65 |
Лекция 11. Реальные газы. Фазовые превращения...................................................................... |
68 |
11.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса.................................................................................................... |
68 |
11.2. Фазовые превращения.............................................................................................................. |
70 |
Лекция 12. Поверхностное натяжение жидкостей. Осмос............................................................ |
74 |
12.1. Поверхностное натяжение жидкостей.................................................................................... |
74 |
12.2. Осмос и осмотическое давление............................................................................................. |
76 |
|
3 |
ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ |
|
Лекция 13. Электростатика................................................................................................................ |
79 |
13.1. Напряженность и потенциал электрического поля............................................................... |
80 |
13.2. Диэлектрики в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект..................................... |
85 |
13.3. Проводники в электрическом поле. Емкость......................................................................... |
86 |
Лекция 14. Постоянный электрический ток................................................................................... |
88 |
14.1. Закон Ома. Закон Джоуля – Ленца......................................................................................... |
88 |
14.2. Электродвижущая сила. Правила Кирхгофа.......................................................................... |
89 |
14.3. Электрический ток в различных средах................................................................................. |
91 |
Лекция 15. Магнитостатика............................................................................................................... |
98 |
15.1. Движение зарядов в магнитном поле..................................................................................... |
98 |
15.2. Магнитное поле движущихся зарядов ................................................................................. |
100 |
15.3. Магнитное поле в веществе................................................................................................... |
102 |
Лекция 16. Электромагнитная индукция. Переменный ток..................................................... |
104 |
16.1. Электромагнитная индукция................................................................................................. |
104 |
16.2. Переменный ток ..................................................................................................................... |
107 |
Лекция 17. Электромагнитные волны........................................................................................... |
111 |
17.1. Уравнение волны. Интенсивность электромагнитной волны............................................ |
111 |
17.2. Шкала электромагнитных волн............................................................................................. |
112 |
17.3. Принципы радиосвязи............................................................................................................ |
113 |
Глава IV. ОПТИКА |
|
Лекция 18. Геометрическая оптика. Фотометрия....................................................................... |
116 |
18.1. Законы геометрической оптики............................................................................................ |
116 |
18.2. Тонкие линзы.......................................................................................................................... |
117 |
18.3. Основные фотометрические характеристики...................................................................... |
120 |
Лекция 19. Волновая оптика............................................................................................................ |
123 |
19.1. Физические явления, связанные с волновыми свойствами света...................................... |
123 |
19.2. Тепловое излучение ............................................................................................................... |
128 |
Глава V. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА |
|
Лекция 20. Квантовая оптика. Фотобиология. Лазеры.............................................................. |
133 |
20.1. Кванты света. Фотоэффект.................................................................................................... |
133 |
20.2. Элементы фотобиологии....................................................................................................... |
135 |
20.3. Лазеры и их применение........................................................................................................ |
136 |
Лекция 21. Рентгеновское излучение............................................................................................. |
139 |
21.1. Источники рентгеновского излучения................................................................................. |
139 |
21.2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.................................................. |
140 |
21.3. Рентгеноструктурный анализ................................................................................................ |
142 |
Лекция 22. Квантовая модель атома............................................................................................... |
144 |
22.1. Квантовая модель атома водорода........................................................................................ |
144 |
22.2. Современная теория строения атома.................................................................................... |
146 |
22.3. Электронный парамагнитный резонанс............................................................................... |
147 |
Лекция 23. Модель ядра. Ядерные реакции. Радиоактивность................................................ |
149 |
23.1. Энергия связи. Ядерные реакции.......................................................................................... |
149 |
23.2. Радиоактивный распад........................................................................................................... |
150 |
23.3. Ядерный магнитный резонанс .............................................................................................. |
153 |
Лекция 24. Элементарные частицы ............................................................................................... |
154 |
24.1. Некоторые характеристики элементарных частиц.............................................................. |
154 |
24.2. Фундаментальные физические взаимодействия.................................................................. |
155 |
Рекомендуемая литература.................................................................................................................. |
157 |
Приложения.......................................................................................................................................... |
158 |
Предметный указатель......................................................................................................................... |
170 |
4
Введение
Любая наука определяется объектом и целью исследования.
Объектом физики является естественный окружающий нас мир, основанный на фундаментальных законах, а целью – познание этих законов и практическое их использование в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и других сферах деятельности человека.
Все естественные и прикладные науки тесно связаны с физикой и носят соответствующие названия: астрофизика, физическая химия, биофизика, геофизика, агрофизика и др. Поэтому можно утверждать, что физика является фундаментом этих наук. И, конечно же, все технические науки «от начала до конца» базируются на физических принципах.
Современные агрономические, животноводческие и птицеводческие комплексы оснащены множеством механизмов и аппаратов, принцип работы которых опирается на конкретные физические законы. Механизация, электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, внедрение во все его отрасли новой аппаратуры требует от современного инженера твердого знания основ физики и умения творческого применения этих знаний в своей практической деятельности. Кроме того, умение построить ясную физическую модель того или иного физического процесса в природе и технике избавит будущего специалиста от бесполезных или явно ошибочных решений.
Курс физики, изложенный в предлагаемом учебном пособии, рассчитан на три семестра и излагается в 24 лекциях. Лекции структурированы по основным разделам общей физики (механика, термодинамика, электричество и магнетизм, оптика и квантовая физика) с целью формирования у студентов ясного понимания, на каких законах базируются встречающиеся на практике физические явления или технологические процессы. В приложениях к разделам представлен дополнительный материал.
5