aaa24092012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С.М. Максимов, В.С. Ковалева, Н.В. Пруцакова

АДАПТИВНЫЙ КУРС ФИЗИКИ

Часть 1 МЕХАНИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

И ТЕРМОДИНАМИКА, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Учебное пособие

Ростов-на-Дону

2012

1

ПРОГРАММА адаптивного курса по физике для студентов,

начинающих изучение курса общей физики в ДГТУ

Механика

Механическое движение. Поступательное и вращательное движение. Относительность механического движения. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Средняя скорость. Мгновенная скорость. Сложение скоростей. Ускорение. Графики зависимости кинематических характеристик от времени при разном характере поступательного движения (равномерном, равноускоренном без начальной скорости, равноускоренном с начальной скоростью, равнозамедленном).

Свободное падение тел. Ускорение свободного падения. Опытное подтверждение постоянства ускорения свободного падения для различных тел. Движение тела, брошенного: вертикально, горизонтально и под углом к горизонту.

Вращательное движение. Угловая скорость. Равномерное движение по окружности с постоянной по модулю скоростью. Центростремительное ускорение. Тангенциальное ускорение. Полное ускорение при криволинейном движении.

Физические модели. Изолированная система. Инерция и инертность. Инерциальные системы отсчета. 1-й закон Ньютона. Принцип относительности Галилея.

Масса тела. Плотность вещества. Сила. Равнодействующая сила. Сложение сил. Принцип независимости действия сил (принцип суперпозиции). 2-ой закон Ньютона. Основное уравнение динамики поступательного движения.

3-й закон Ньютона. Силы в механике. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Реакция опоры. Вес тела. Невесомость. Искусственные спутники Земли. Первая космическая скорость.

Сила упругости. Закон Гука. Механическое напряжение. Относительное удлинение. Силы трения, коэффициент трения скольжения.

3

Импульс тела. Импульс системы тел. Импульс силы. Закон сохранения импульса.

Механическая работа. Мощность. Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Консервативная система. Закон сохранения механической энергии. Работа как мера изменения энергии. Упругий и неупругий удар. Законы сохранения энергии и импульса при упругом и неупругом ударе.

Статика

Сложение и разложение сил. Момент силы. Плечо силы. Условие равновесия тел, имеющих ось вращения.

Гидростатика

Сила давления. Давление. Гидростатическое давление. Закон Паскаля для жидкостей и газов. Сообщающиеся сосуды. Атмосферное давление. Закон Архимеда для жидкостей и газов.

Механические колебания и волны

Колебательное движение. Гармонические колебания. Механические колебания. Смещение, амплитуда, период, частота, циклическая частота, фаза и начальная фаза колебаний. Скорость и ускорение при гармонических колебаниях.

Свободные колебания. Математический маятник. Формула периода колебаний для математического маятника. Пружинный маятник. Формула периода колебаний для пружинного маятника. Превращение энергии при гармонических колебаниях. Вынужденные колебания. Явление резонанса.

Распространение колебаний в упругих средах. Поперечные и продольные волны. Длина волны. Связь длины волны со скоростью ее распространения. Звуковые волны. Скорость распространения звука.

Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Модели строения газа, жидкости и твердого тела. Кристаллические и аморфные тела. Тепловое движение атомов и молекул вещества.

4

Основные положения МКТ и их опытное обоснование. Диффузия. Броуновское движение. Масса и размеры молекул. Концентрация молекул.

Модель идеального газа. Основное уравнение МКТ. Температура и ее измерение. Абсолютная температурная шкала. Связь между абсолютной температурной шкалой и шкалой Цельсия. Средняя квадратичная скорость движения молекул. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа и ее связь с температурой газа. Уравнение состояния идеального газа.

Изопроцессы в газах (изотермический, изобарный, изохорный) и их графическое представление. Закон Дальтона.

Термодинамика

Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии тела. Количество теплоты. Тепловое равновесие. Теплопередача. Работа расширения идеального газа.

Теплоемкость. Теплоемкость тела. Удельная теплоемкость вещества. Молярная теплоемкость. Уравнение теплового баланса.

1-е начало термодинамики. Адиабатный процесс. Адиабата и изотерма – сравнение графиков. Применение 1-го закона термодинамики к изопроцессам.

Принцип действия тепловых машин. Цикл Карно. КПД тепловой машины.

Электростатика

Электризация тел. Взаимодействие электрических зарядов. Два вида электрических зарядов. Единица измерения заряда. Элементарный электрический заряд, его величина.

Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Диэлектрическая проницаемость.

Электростатическое поле. Действие электростатического поля на электрические заряды.

Напряженность электростатического поля. Единица измерения напряженности. Однородное электростатическое поле. Формула напряженности электростатического поля точечного заряда.

5

Силовые линии электростатического поля. Графическое представление электростатических полей точечного заряда, заряженной сферы, заряженной плоскости, двух разноименно заряженных плоскостей.

Принцип суперпозиции электростатических полей.

Потенциал электростатического поля. Единица измерения. Разность потенциалов.

Формула потенциала электростатического поля, создаваемого точечным зарядом и заряженной сферой.

Проводники в электростатическом поле. Явление электростатической индукции.

Диэлектрики в электростатическом поле (поляризация диэлектри-

ков).

Электрическая емкость. Единица измерения. Плоский конденсатор. Формула электрической емкости плоского конденсатора. Энергия электростатического поля конденсатора.

Постоянный электрический ток

Электрическая цепь. Наличие электрического поля (или разности потенциалов) – необходимое условие перемещения электрических зарядов. Электрический ток. Сила тока. Единица измерения силы тока. Плотность электрического тока. Единица измерения. Направление электрического тока.

Сторонние силы. Электродвижущая сила источника тока (ЭДС). Единица измерения.

Электрическое сопротивление. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры.

Разность потенциалов, напряжение, падение напряжения. Единицы измерения.

Закон Ома для участка цепи. Внутреннее сопротивление источника тока. Закон Ома для полной (замкнутой) цепи.

Последовательное, параллельное и смешанное соединение сопротивлений.

Работа электрического тока. Закон Джоуля – Ленца. Мощность электрического тока.

6

1. МЕХАНИКА

Механика пользуется простейшими физическими моделями:

1)механическая система – система материальных точек или тел, рассматриваемых в данной задаче, как единое целое;

2)материальная точка – тело, размерами которого в условии данной задачи можно пренебречь;

3)абсолютно твердое тело – тело, которое не деформируется ни при каких условиях.

1.1. Кинематика

Кинематика - раздел механики, который изучает механическое движение без учета причин, вызывающих движение и изменяющих его характер.

Для определения пространственного положения тел при их перемещении необходимо пользоваться системой отсчета.

Система отсчета - это тело отсчета, система координат и прибор для измерения времени (часы).

1.1.1. Траектория, путь, перемещение

Траектория - это совокупность точек пространства, через которое тело последовательно проходит во время своего движения. В общем случае это кривая линия, вид которой зависит от характера движения тела и от системы отсчета.

Путь (S) - длина траектории, измеряется в метрах (м). Механическое движение - это пространственное перемещение

тел относительно друг друга или частей одного и того же тела. Любое сложное механическое движение может быть представлено в виде последовательно совершаемых поступательного и вращательного движения.

Поступательным называется движение, при котором прямая, проведенная через любые две точки тела, при движении остается параллельной самой себе. При поступательном движении траектории всех точек тела одинаковы. Вращательное движение - это движение, при котором все точки твердого тела движутся по окружностям, находящимся в параллельных плоскостях. При этом центры этих окружностей лежат

7

на одной прямой, которая называется осью вращения ОО’. Ось вращения OO’ может пронизывать тело (рис.1, а) или находиться вне тела (рис.1, б). При этом подразумевается, что ось вращения в пространстве не перемещается.

Рассмотрим перемещение тела из точки 1 в точку 2 в системе координат x, y (рис.2). Вектор, соединяющий начальное (1) и конечное (2) положение движущегося тела или, например, какие-то две последовательные (а, b) точки траектории называется, вектором перемещения

(рис.2).

Рис. 2. Вектор перемещения

На рис. 2: r1 - радиус-вектор точки 1; r2 - радиус-вектор точки 2; r, r - векторы перемещения от точки 1 до точки 2 и на участке траекто-

рии от точки a до точки b соответственно.

8

1.1.2. Скорость и ускорение

Скорость ( ) - это физическая величина, характеризующая быстроту пространственного перемещения тела и определяемая отношением вектора перемещения к промежутку времени, за которое это перемещении произошло:

Скорость измеряется в метрах на секунду (м/с).

Равномерным поступательным называется движение, при котором за любые равные промежутки времени тело проходит равные пути

( сonst).

Ускорение (a ) – физическая величина, характеризующая быстроту изменения вектора скорости и определяемая отношением изменения вектора скорости 2 1 к промежутку времени t, за которое оно произошло:

v

ar . (3)

cð t

Ускорение измеряется в метрах на секунду в квадрате (м/с2).

Равнопеременным, то есть равноускоренным или равнозамед-

ленным, называется движение, при котором ускорение с течением времени остается неизменным (a const).

1.1.3. Кинематика вращательного движения

Равномерное движение по окружности ( const) не является равноускоренным, хотя и обладает центростремительным ускорением

Поскольку центростремительное ускорение направлено по радиусу вращения к центру окружности, а сам радиус при вращательном движе-

9