1 и 2 семестр - физика
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования žКузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева¤
Кафедра физики
ФИЗИКА
Методические указания к контрольным работам для студентов направления 280700.62 žТехносферная безо-
пасность¤, профили 280702.62 žБезопасность технологических процессов и производств¤, 280705.62 žИнженерная защита окружающей среды¤ заочной формы обучения
Составители А. А. Мальшин Т. И. Янина
Утверждены на заседании кафедры Протокол №8 от 26.03.2013 Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией направления 270800.62 Протокол № 8 от 04.03.2013 Электронная копия находится в библиотеке КузГТУ
Кемерово 2013
1
СОДЕРЖАНИЕ |
|
С О Д Е РЖА НИ Е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. 1 |
ОБ Щ И Е МЕ Т ОД ИЧ Е С К ИЕ У К А З А Н И Я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
2 |
С О Д Е РЖА НИ Е РАБ О Ч ЕЙ П РОГ РА ММ Ы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
4 |
С П И СО К РЕ К ОМ ЕН Д УЕ МО Й ЛИ Т Е РА Т У РЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
9 |
К О Н Т РО ЛЬ Н А Я РАБ ОТ А № 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
1 0 |
К О Н Т РО ЛЬ Н А Я РАБ ОТ А № 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
2 0 |
П РИ Л О ЖЕНИ Я . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
3 0 |
2
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Целями освоения дисциплины žФизика¤ студентами по направлению подготовки бакалавров žТехносферная безопасность¤ являются изучение физических явлений и законов природы, установление границ их применимости, применение данных законов к важнейшим практическим приложениям, связанным с созданием средств обеспечения безопасности и защиты человека от техногенных и антропогенных воздействий, с идентификацией источников опасности на предприятиях, с определением зон повышенного риска, с разработкой средств спасения, с эксплуатацией средств защиты и ликвидацией чрезвычайных ситуаций, а также получение навыков работы с приборами и оборудованием современной физической лаборатории, использование различных методик проведения физических измерений и обработки экспериментальных данных.
Изучение курса физики способствует формированию у студентов научного мировоззрения и современного физического мышления. В процессе изучения данного курса студент-заочник должен усвоить основные физические законы классической и современной физики, освоить методы физического исследования и приёмы решения конкретных задач из разных областей физики, которые помогут в дальнейшем решать инженерные задачи.
В результате освоения дисциплины žФизика¤ студент должен знать основные понятия, законы и модели: механики, электричества и магнетизма, колебаний и волн, квантовой физики, статистической физики и термодинамики. Уметь решать типовые задачи, используя методы математического анализа, использовать физические законы при анализе и решении проблем. Владеть: методами экспериментального исследования в физике (планирование, постановка), обработки результатов оценки погрешности.
Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа по учебникам и учебным пособиям. Выполнение контрольных работ способствует систематизации и закреплению полученных теоретических знаний.
Для организации самостоятельной работы студентовзаочников преподавателями кафедры физики ФБГОУ ВПО Куз-
3
ГТУ имени Т.Ф. Горбачева читаются лекции, проводятся практические и лабораторные занятия. Задачи подобраны таким образом, чтобы при их решении студент-заочник проработал основную часть обязательного программного материала, а это поможет студенту успешно пройти порубежный контроль знаний (зачет, экзамен).
Вконтрольной работе студент должен решить ВОСЕМЬ ЗАДАЧ того варианта, номер которого совпадает с ПОСЛЕДНЕЙ ЦИФРОЙ его шифра.
На титульном листе контрольной работы указывают название дисциплины, номер контрольной работы, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес.
Вконце работы следует указать учебники и учебные пособия, которые использовались при решении задач.
Условия задач контрольных работ ПЕРЕПИСЫВАЮТСЯ ПОЛНОСТЬЮ, решения задач сопровождаются исчерпывающими пояснениями с использованием рисунков и схем (см. примеры). Задачи решаются в общем виде с проверкой размерности полученного результата. Значения величин при подстановке в расчётную формулу должны быть выражены в единицах СИ (SI).
Ввиде исключения допускается использование других, но непременно одинаковых в числителе и знаменателе единиц измерения.
Контрольные работы на проверку необходимо присылать не позднее, чем ЗА 15 ДНЕЙ ДО НАЧАЛА СЕССИИ.
Если контрольная работа при рецензировании не зачтена, студент обязан представить её на повторную рецензию, включив в неё те задачи, решения которых оказались неверными. Работа над ошибками не зачтенной контрольной работы производится
ВТОЙ ЖЕ ТЕТРАДИ.
Зачтённые работы žЗАЩИЩАЮТСЯ¤ во время экзамена (зачёта), даются пояснения по существу решения задач, входящих
вконтрольные работы.
Кконтролю знаний (зачет, экзамен) допускаются студенты, защитившие контрольные работы и успешно выполнившие работы лабораторного практикума.
4
СОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ
1.МЕХАНИКА
1.1.Кинематика и динамика поступательного движения
Роль физики в развитии техники и влияние техники. Меха-
ническое движение. Системы отсчета, траектория, длина пути, вектор перемещения. Скорость и ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорения. Динамика поступательного движения. Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона. Закон сохранения импульса. Уравнения движения тела переменной массы. Роль физики в развитии техники и влияние техники. Механическое движение. Системы отсчета, траектория, длина пути, вектор перемещения. Скорость и ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорения. Динамика поступательного движения. Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона. Закон сохранения импульса. Уравнения движения тела переменной массы.
1.2.Кинематика и динамика вращательного движения
Угловая скорость и угловое ускорение. Связь линейных и угловых кинематических характеристик. Момент силы. Момент импульса. Момент инерции твердого тела относительно оси. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Закон сохранения момента импульса. Гироскопы и их применение.
1.3. Энергия и работа
Механическая работа. Консервативные и диссипативные силы. Кинетическая энергия твердого тела. Потенциальная энергия. Закон изменения и сохранения энергии в механике.
1.4.Специальная теория относительности и релятивистская динамика
Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Длина отрезка и длительность событий в различных системах отсчета. Закон сложения скоростей. Зависимость массы от скорости. Релятивистское выражение импульса и кинетической энергии. Взаимосвязь массы и энергии.
1.5.Механика сплошных сред
Механика твердых тел. Упругие напряжения и деформации. Закон Гука. Деформации сдвига, кручения и изгиба. Механика
5
жидкостей и газов. Вязкость. Коэффициент внутреннего трения. Законы изменения скорости при ламинарном и турбулентном течении. Законы гидродинамического подобия. Движение тел в жидкостях и газах. Поверхностное натяжение в жидкостях. Смачивание. Капиллярные явления.
2.ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
2.1.Электростатика
Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Остроградского – Гаусса для электростатического поля в вакууме. Потенциал электрического поля. Связь потенциала с напряженностью электрического поля. Эквипотенциальные поверхности. Электрические диполи.
Электрическое поле в веществе. Типы диэлектриков. Электронная, ориентационная и ионная поляризация. Расчет поляризованности диэлектриков. Объемные и поверхностные связанные заряды. Поле внутри диэлектрика. Теорема Остроградского – Гаусса для поля в веществе. Граничные условия на границе раздела двух сред. Сегнето- и пьезоэлектрики.
Проводники в электрическом поле. Распределение зарядов в проводнике. Явление электростатической индукции. Электроемкость уединенного проводника. Конденсаторы. Энергия системы точечных зарядов, уединенного проводника, конденсатора и системы проводников. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.
2.2. Постоянный электрический ток
Закон Ома в дифференциальной форме. Разность потенциалов, сторонние электродвижущие силы, напряжение. Закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме. Работа и мощность тока. Правила Кирхгофа.
2.3. Магнитное поле
Индукция магнитного поля. Движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле. Сила Лоренца. Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Контур с током в магнитном поле. Магнитное поле в веществе. Намагничивание сред. Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков. Элементар-
6
ная теория диа- и парамагнетизма. Магнитная восприимчивость вещества и ее зависимость от температуры. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Ферромагнетики. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис.
2.4. Электромагнитная индукция
Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Основной закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Токи при размыкании и замыкании цепи. Взаимная индуктивность. Энергия магнитного поля.
2.5. Уравнения Максвелла
Ток смещения. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной и дифференциальной формах. Граничные условия для векторов электромагнитного поля. Инвариантность уравнений Максвелла.
3.КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
3.1.Физика колебаний и волн
Гармонические колебания (механические и электромагнитные) и их характеристики. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Физический маятник. Электрический колебательный контур. Способы изображения гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.
Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Характеристики затухающих колебаний. Вынужденные колебания. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Явление резонанса. Преобразование и детектирование электрических колебаний. Автоколебания.
3.2. Волны в упругой среде
Механизм образования волн в упругой среде. Фазовая скорость. Продольные и поперечные волны. Уравнение плоской волны. Плотность и поток энергии. Вектор Умова. Стоячие волны. Колебания струны. Дисперсия скорости волн. Волновое уравнение. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью. Эффект Доплера.
7
Волновое уравнение электромагнитной волны. Особенности плоской электромагнитной волны. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова – Пойтинга. Экспериментальное исследование электромагнитных волн.
4.ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА
4.1.Интерференция
Интерференция монохроматических волн. Когерентность волн. Способы получения когерентных волн. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Линии равной толщины и равного наклона. Кольца Ньютона. Шахтный интерферометр.
4.2. Дифракция
Принцип Гюйгенса – Френеля. Дифракция Френеля. Метод зон Френеля. Зонная пластинка. Графическое вычисление результирующей амплитуды. Дифракция на круглом отверстии, на непрозрачном круглом экране. Дифракция Фраунгофера на одной щели и на многих щелях. Дифракционная решетка. Разрешающая способность оптических приборов. Голография и ее применение.
4.3. Поляризация световых волн, электромагнитные волны в веществе
Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация света при отражении от диэлектрика. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Интерференция поляризованных волн. Оптическая анизотропия кристаллов. Дисперсия света. Поглощение света. Рассеяние света.
5.КВАНТОВАЯ ФИЗИКА, ФИЗИКА АТОМА
5.1.Квантовая физика
Тепловое излучение и его характеристики. Абсолютно черное тело. Законы излучения абсолютно черного тела. Квантовая гипотеза и формула Планка. Оптическая пирометрия.
Энергия и импульс световых квантов. Фотоэффект и его законы. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Эффект Комптона. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитных излучений.
8
5.2. Элементы квантовой механики
Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Гипотеза де Бройля. Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма частиц. Дифракция электронов и нейтронов. Свойства волн де Бройля. Соотношение неопределенностей для координат и импульса, энергии и времени.
Уравнение Шредингера. Волновая функция. Статистический смысл волновой функции. Временное и стационарное уравнения Шредингера.
5.3. Элементы современной физики атомов и молекул
Строение атома. Линейчатый спектр атома водорода. Основное состояние атома водорода. Квантовые числа. Закономерности атомных спектров. Спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры. Квантовые статистики. Влияние температуры.
Квантовая теория теплоемкости. Фононы. Квантовая теория электропроводности металлов. Сверхпроводимость. Эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости в науке и технике.
5.4.Зонная теория твердых тел. Элементы квантовой теории металлов
Энергетические зоны в кристалле. Валентная зона и зона проводимости. Уровень Ферми. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Собственная и примесная проводимости. Фотопроводимость. Контактные явления.
5.5.Атомное ядро, ядерные реакции и элементарные ча-
стицы
Строение атомных ядер. Модели ядра: газовая, капельная и оболочечная. Радиоактивность и ее законы. Ядерные силы. Энергия связи. Реакции деления и синтеза. Проблемы уравнения ядерной реакции.
Общие свойства элементарных частиц. Взаимопревращения. Фундаментальные взаимодействия. Переносчики и участники. Лептоны, адроны, кварки.
6.СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
6.1Молекулярная физика
Основные положения и уравнения молекулярнокинетической теории газов. Распределение Максвелла. Скорости газовых молекул. Экспериментальное определение скоростей мо-
9
лекул. Распределение Больцмана. Кинетические явления. Число столкновений и длина свободного пробега молекул. Явления переноса.
Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа. Работа, совершаемая газом при расширении. Количество теплоты.
6.2 Термодинамика
Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Изопроцессы. Адиабатический процесс.
Энтропия. Изменение энтропии идеального газа в различных процессах. Закон возрастания энтропии. II начало термодинамики. Статистический смысл II начала термодинамики. Круговые процессы (циклы). Тепловые двигатели и холодильные машины. КПД тепловой машины. Цикл Карно. КПД цикла Карно и его максимальность.
Уравнения диффузии, теплопроводности, вязкости. Средняя длина свободного пробега молекулы и средняя частота столкновений. Вывод уравнений неравновесных процессов.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Савельев, И. В. Курс физики : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по техн. и технолог. направлениям и специальностям : в 3 т. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. – 4-е изд., стереотип. – СПб. : Лань, 2008. – 352 с. http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=509
2.Детлаф, А. А. Курс физики : учеб. пособие для втузов
/А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М. : Академия, 2007. – 720 с.
3.Чертов, А. Г. Задачник по физике : учеб. пособие для втузов / А. Г. Чертов, А. А. Воробьев. – 8-е изд., перераб. и доп. – М.: Физматлит, 2007. – 640 с.