физика МЕТОДИЧКА

У

Т

Н

Б

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

й

И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

и

обототехники

по физике для студентов-заочников

р

энергетическ х спец альностей

и факультета инфо мац онных технологий

о

т

и

з

о

п

е

Р

Минск 2 0 0 4

й

Тимофеев

А.А. Андрюшкевич, Н.Ф. Галякев ч, З.М. Юдовин, Е.П. Трухан,

р

Л.Е. Сандригайло, Л.Ф. Гладченко

о

Рецензенты:

Г.Н. Блинк в, А.А. Ба анов

т

и

з

о

п

Р

© Л.А. Сакевич, М.Б. Ржевский,

ISBN 985-479-150-5

е

А.Б. Тимофеев и др.,

Введение

Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, ги-

потеза, эксперимент, теория. Роль физики в развитии техники и

влияние техники на развитие физики. Связь физики с другими нау-

ками. Физика как культура моделированная. Компьютеры в совре-

Н

менной физике. Роль физики в становлении инженера. ОбщаяУ

структура курса физики. Размерность физических величин. Основ-

ные единицы системы СИ.

Т

1. Физические основы классической механики

й

Предмет механики. Классическая механика. Квантовая механика.

Релятивистская механика. Физические моделиБ: материальная точка,

и

система материальных точек, абсолютно твердое тело, сплошная

рение

среда, пространство и время.

Механическое движение как п остейшая форма движения материи.

ост

анства времени, лежащие в основе

Представления о свойствах п

классической (ньют н вск й) механики. Элементы кинематики мате-

коны динам

матеральной

точки и системы материальных то-

риальной точки. Скор сть и уск

точки как производные радиу-

са-вектора повремени. Н рмальн еитангенциальное ускорение.

Динамика ма ериальной точки и поступательного движения

твердого тела. Закон нерции и инерциальные системы отсчета. За-

з

о

внутренние силы. Центр масс (центр инерции) ме-

чек. Внешн е

ханическ й системыкии закон его движения. Закон сохранения им-

пульса

как фундаментальный закон природы и его связь с одно-

р дн стью пр странства.

Энергия как универсальная мера различных форм движения и

Р

взаимодействия. Работа переменной силы. Реактивное движение.

Кин тическая энергия механической системы и ее связь с работой

вн шних и внутренних сил, приложенных к системе.

еПоле как форма материи, осуществляющая силовое взаимодей-

тивные системы. Потенциальная энергия материальной точки во

внешнем силовом поле, ее связь с силой, действующей на матери-

альную точку. Понятие о градиенте скалярной функции координат.

Поле центральных сил. Потенциальная энергия системы. Закон со-

хранения механической энергии и его связь с однородностью вре-

мени. Закон сохранения и превращения энергии как проявление не-

У

уничтожимости материи и ее движения. Применение законов со-

хранения к столкновению упругих и неупругих тел.

Элементы вращательного движения. Угловая скорость и угловое

ускорение,

связь с линейными скоростями и ускорениями точек

Н

вращающегося тела. Момент силы и момент импульса механиче-

ской системы. Момент силы относительно оси. Момент импульса

тела относительно неподвижной оси вращения. Момент инерцииТ

тела относительно оси. Уравнение динамики вращательного движе-

ния твердого тела относительно неподвижной оси. Кинетическая

энергия вращающегося тела. Закон сохранения момента импульса и

его связь с изотропностью пространства.

дкостей

Неинерциальные системы отсчета. Силы инерцииБ. Элементы ме-

угие

и газов. Иде-

ханики сплошных сред. Общие свойства ж

р

альная и вязкая жидкости. Стационарное дв жение идеальной жид-

кости. Уравнение Бернулли. Гид од нам ка вязкой жидкости. Фор-

о

напряжения. Закон Гука.

мула Пуазейля. Формула Стокса. Уп

Растяжение и сжатие стержней.

т

2. Элемен ы специальной (частной)

з

носительности

Преобра ован я Гал лея. Механический принцип относительно-

сти.

Постулаты

спец альной теории относительности. Преобразо-

вание Л ренца. Относительностьеории

длин и промежутков времени. Ин-

пространства

тервал между с бытиями и его инвариантность по отношению к

выбору инерциальной системы отсчета как проявление взаимосвязи

и времени. Релятивистский закон сложения скоростей.

Р лятивистский импульс. Основной закон релятивистской динами-

Р

ки мат риальной точки. Релятивистское выражение для кинетиче-

ской эн ргии. Взаимосвязь массы и энергии. Энергия связи систе-

емы. Соотношение между полной энергией и импульсом частицы.

Понятие о колебательных процессах. Параметрические колебания

и автоколебания. Единый подход к колебаниям различной физиче-

ской природы. Гармонические механические колебания. Кинемати-

ческие характеристики гармонических колебаний. Дифференциаль-

ное уравнение гармонических колебаний. Комплексная форма пред-

ставления колебаний. Гармонический осциллятор. Пружинный, фи-

зический и математический маятники. Энергия гармонических коле-

Н

баний. Сложение гармонических колебаний одного направленияУи

одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных

колебаний. Дифференциальное уравнение затухающих колебанийТи

его решение. Коэффициент затухания, логарифмический декремент,

добротность. Апериодический процесс. Дифференциальное уравне-

ние вынужденных колебаний и его решение. Амплитуда смещения и

й

фаза вынужденных колебаний. Понятие о резонансе. Фурье-разло-

жение. Физический смысл спектрального разложенияБ. Модулирован-

ные (гармонические)

. У

авнениебегущей волны. Длина вол-

ные колебания. Спектр амплитудно-модул рованного колебания.

Принцип

Волновые процессы. Механ зм образования механических волн

в упругой среде. Продольные

поперечные волны. Синусоидаль-

рентность.

волны

ны и волновое число. В лн в е у авнение. Фазовая скорость и дис-

т

суперпозиции волн и грани-

персия волн. Энергия в лны.

цы его применимос и. В лн в й пакет. Групповая скорость. Коге-

и

Интерференц я волн. Образование стоячих волн. Уравнение

з

стоячей волны

его анализ. Эффект Доплера.

о

4. Основы молекулярной физики

и термодинамики

Статистический и

термодинамический методы исследования.

Р

Т рмодинамические параметры. Равновесные состояния и процес-

псы, их изображение на термодинамических диаграммах. Вывод

уравнения молекулярно-кинетической теории идеальных газов для

едавления и его сравнение с уравнением Клапейрона – Менделеева.

Средняя кинетическая

энергия молекул. Молекулярно-кинетиче-

5

ское толкование термодинамической температуры. Число степеней

свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по

степеням свободы молекул. Внутренняя энергия идеального газа.

Работа газа при изменении его объема. Количество теплоты. Тепло-

емкость. Первое начало термодинамики. Применение первого нача-

ла термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу идеаль-

У

ного газа. Зависимость теплоемкости идеального газа от вида про-

цесса. Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоемко-

стей идеальных газов и ее ограниченность. Границы применимости

закона равнораспределения энергии и понятие о квантовании энер-

гии вращения и колебания молекул.

Н

Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по

скоростям и энергиям теплового движения. БарометрическаяТфор-

мула. Закон Больцмана для распределения частиц во внешнем по-

тенциальном поле. Распределение Гиббса. Среднее число столкно-

вений и средняя длина свободного пробега молекул. Время релак-

Обратимые и необратимые

. Круговой процесс (цикл).

сации. Явления переноса в термодинамически неравновесных сис-

темах. Опытные законы диффузии, теплопроводностиБи внутренне-

и

го трения. Молекулярно-кинетическая теор я этих явлений.

процессы

Тепловые двигатели и холодильные маш ны. Цикл Карно и его

го

КПД для идеального газа. Вто ое начало термодинамики. Незави-

симость КПД цикла Карно

т п и

ды

абочего тела. Энтропия.

т

Энтропия идеального газа. Принцип возрастания энтропии. Стати-

стическое

толкование в р

начала

термодинамики. Критика

тивный диаметр толкованиям лекул. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Сравнение

идеалистического

в орого начала термодинамики. Тер-

модинамические потенц алы и условия равновесия.

з

деальных газов. Реальные газы. Силы и

Отступления от аконов

го

потенциальная энерг я межмолекулярного взаимодействия. Эффек-

изотерм Ван-дер-Ваальса с экспериментальными. Внутренняя энер-

гия реальн

газа. Фазовые переходы I

и II рода. Критическое со-

стояние

. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса. Тройная точка. Фазо-

вые диаграммы. Внутренняя энергия реального газа. Особенности

Р

жидкогопи твердого состояний вещества. Строение кристаллов. То-

ч чные д фекты в кристаллах. Дислокация и пластичность.

6

роградского – Гаусса к расчету поля. Электрическое поле в веществе.

Проводники в электрическом поле. Электростатическая защита. Сво-

бодные и связанные заряды в диэлектриках. Типы диэлектриковУ.

Электронная и ориентационная поляризация. Поляризованность. Ди-

электрическая восприимчивость вещества. Электрическое Тсмещение.

Диэлектрическая проницаемость среды. Вычисление напряженности

поля в диэлектрике. Емкость конденсаторов различной геометриче-

Н

ской конфигурации. Энергия взаимодействия электрических зарядов,

заряженных проводников, электростатического поля. Объемная

плотность энергии электростатического поля. СегнетоэлектрикиБ

.

6. Постоянный электр

ток

ческий

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия су-

и

ществования. Разность п тенциал в, электродвижущая сила, напряже-

ние. Сторонние силы. ЭДС гальванического элемента. Закон Ома для

р

участка цепи с гальваническим элементом. Классическая электронная

теория электропроводнос и металлов и ее опытные обоснования. Вы-

вод закона Ома

о

Джоуля – Ленца в дифференциальной форме из

т

электронных представлений. Закон Видемана – Франца. Закон Ома и

Джоуля – Ленца в нтегральной форме. Затруднения классической

и

те рии электр проводности металлов. Границы применимости закона

Ома. Правила Кирхгофа. Ток в газах. Плазма. Плазменная чистота,

з

дебаевская длина, электропроводность плазмы. Работа выхода элек-

троновизметалла. Термоэлектроннаяэмиссия.

о

п

7. Электромагнетизм

еМагнитное поле. Магнитная индукция. Действие магнитного поля

Р

Магнитное поле тока. Закон Био – Савара – Лапласа и его примене-

ние к расчету магнитного поля. Магнитное поле прямолинейного

проводника с током. Магнитное поле кругового тока. Магнитный

момент витка с током. Вихревой характер магнитного поля. Закон

полного тока (циркуляция вектора магнитной индукции) для магнит-

ного поля в вакууме и его применение к расчету магнитного поля

У

тороида и длинного соленоида. Действие магнитного поля на дви-

жущийся заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в маг-

нитном поле. Принцип действия циклических ускорителей заряжен-

ных частиц. Эффект Холла. МГД-генератор. Контур с током в маг-

нитном поле. Момент сил, действующий на рамку с током в магнит-

ном поле. Магнитный поток. Теорема Остроградского – Гаусса. Ра-

бота перемещения проводника и контура с током в магнитном полеТ.

Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило

Ленца. Закон электромагнитной индукции и его вывод из закона

Н

сохранения энергии. Явление самоиндукции. Индуктивность. Токи

при замыкании и размыкании цепи. Явление взаимной индукции.

Взаимная индуктивность.

Энергия

проводниковБс током.

Объемная плотность энергии магн тного поля.

Магнитное поле в веществе. Магн тные моменты атомов. Типы

магнетиков. Намагниченность. Мик о-

й

макротоки. Элементарная

теория диа- и парамагнетизма. Магнитная восприимчивость веще-

системы

ства и ее зависимость т темпе ату ы.

Законы полного тока для

магнитного поля

в

. Напряженность магнитного поля.

р

Магнитная проницаемос ь среды. Ферромагнетики. Опыты Столе-

това. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри.

о

Домены. Спиновая пр рода ферромагнетизма.

Основы теор

веществе

Максвелла для электромагнитного поля. Ток

смещения. Уравнен я Максвелла для электромагнитного поля в ин-

и

тегральн й и дифференциальной форме.

з

8. Электромагнитные колебания и волны

о

Гармонические электромагнитные колебания и их характеристи-

ки.пДифференциальное уравнение электромагнитных колебаний.

Эл ктрический колебательный контур. Энергия электромагнитных

колебаний. Дифференциальное уравнение электромагнитных коле-

баний и его решение. Дифференциальное уравнение вынужденных

Р

8

Интерференция света. Когерентность и монохроматичность све-

Н

товых волн. Расчет интерференционной картины от двух когерентУ-

ных источников. Оптическая длина пути. Интерференция света в

тонких пленках. Интерферометры. Дифракция света. ПринципТГюй-

генса – Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распростра-

нение света. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске.

Дифракция Фраунгофера на одной щели и дифракционной решетке.

графии. Дисперсия света. Области нормальной

и аномальной дис-

Разрешающая способность оптических приборов. Дифракция на

пространственной решетке. Формула ВульфаБрэгга–

. Исследова-

Эффект Доплера. Излучение Вавилова– Черенкова. Поляризация

ние структуры кристаллов. Пр нц п голографии. Применение голо-

персии.

р

Поглощение света.

Электронная тео ия д спе с света.

о

света. Естественный и п ля из ванный свет. Поляризация света при

Брюстера

отражении. Закон

. Дв йное лучепреломление. Одноосные

кристаллы. Поляроиды и п ляризационные призмы. Закон Малюса.

Электрооптические

магнитооптические явления. Жидкие кри-

сталлы. Поведен е в элек рическом и магнитном полях. Примене-

з

ние жидких кр сталлов.

Закон

и10. Квантовая природа излучения

Те л в е излучение. Черное тело. Проблемы излучения черного

тела.

Кирхгофа. Закон Стефана – Больцмана. Распределение

Р

эн ргии в спектре абсолютно черного тела. Закон смещения Вина.

пКвантовая гипотеза и формула Планка. Оптическая пирометрия.

Вн шний фотоэффект и его законы. Фотоны. Уравнение Эйнштейна

едля внешнего фотоэффекта. Масса и импульс фотона. Давление све-

та. Опыты Лебедева.

Квантовое и волновое объяснение давления

9

Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма свойств

У

вещества. Формула де Бройля. Соотношение неопределенностей

как проявление корпускулярно-волнового дуализма свойств мате-

рии. Волновая функция и ее статистический смысл. Ограниченность

Н

механического детерминизма. Принцип причинности в квантовой

механике. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера для

стационарных состояний. Свободная частица. Туннельный эффектТ.

Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Кванто-

вание энергии и импульса частицы. Понятие о линейном гармони-

ческом осцилляторе. Атом водорода. Главное, орбитальное и маг-

нитное квантовые числа.

й

Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона. СпиновоеБквантовое

Паули

число. Фермионы и бозоны. Принц п

. Распределение элек-

р

тронов в атоме по состояниям. Понят е об энергетических уровнях

молекул. Спектры атомов и молекул.

Поглощение, спонтанное и

о

аботы квантового генератора.

вынужденное излучение. Принцип

Метод трех уровней. Первые лазе ы. П именение лазеров.

т

12. Элемен ы квант вой статистики

з

физики

вердого тела

Фазовое пространство. Элементарная ячейка. Плотность состоя-

о

ний. Понятие о квантовой статике Бозе – Эйнштейна. Фотонный и

фононный га ы. Распределениеи

фононов по энергиям. Теплоемкость

кристаллическ й решетки. Сверхтекучесть. Понятие о квантовой

статике Ферми – Дирака. Распределение электронов проводимости

металле

энергиям при абсолютном нуле температуры. Энергия

в

Ф рми. Влияние температуры на распределение электронов. Уро-

Р

в ньпФ рми. Внутренняя энергия и теплоемкость электронного газа

в

. Электропроводимость

металлов. Сверхпроводимость.