- •Общие методические указания
- •Самостоятельная работа с учебными пособиями.
- •Студенту рекомендуется:
- •Требования, предъявляемые к решению задач.
- •Указания к выполнению контрольных работ.
- •Лабораторно-практические занятия
- •Экзамен
- •Содержание курса физики Введение.
- •Кинематика.
- •Динамика.
- •Динамика больших скоростей.
- •Колебания и волны.
- •Элементы статистической и молекулярной физики.
- •Элементы термодинамики.
- •Электрические и магнитные явления.
- •Электромагнитное излучение и оптика.
- •Элементы учения о строении вещества.
- •Примеры решения задач
- •Молярную массу смеси газов найдем по формуле
- •Задачи к контрольным работам.
- •ПриложениЯ
- •Основные физические постоянные
- •Некоторые астрономические величины
- •Плотность жидкостей ρ·10 -3, кг/м3
- •Плотность газов (при нормальных условиях), кг/м3
- •Плотность твердых тел р • 10 3, кг/м3
- •1. Физические основы механики
- •2. Основы молекулярной физики и термодинамики
- •3. Электричество и магнетизм
- •4. Колебания и волны
- •5. Оптика. Квантовая природа излучения
- •6. Элементы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел
- •7. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
- •Литература Учебные пособия основные
- •Дополнительные
- •Дополнительные
- •Содержание
Элементы учения о строении вещества.
Особенности поведения микрочастиц. Принципы описания поведения микрочастиц, волновая функция, соотношение неопределенностей, волна де Бройля. Постулаты Бора. Уравнение Шредингера (временное и стационарное), физический смысл входящих в него членов. Решение стационарного уравнения Шредингера для частицы в одномерном потенциальном ящике и частицы на окружности. Условия появления квантовых явлений. Влияние массы и области локализации частиц. Двумерная потенциальная яма, вырождение квантовых состояний и снятие вырождения. Потенциальная яма конечной глубины и влияние ее глубины и ширины на уровни энергии частицы. Возможность локализации частицы в пространстве. Туннельный эффект. Заполнение уровней и принцип Паули, полная энергия совокупности электронов в квантовой системе. Уровни энергии в атоме водорода, переходы между уровнями. Индивидуальность спектров атомов и эмиссионный спектральный анализ. Металлическая модель молекулы и объяснение корреляции цветности вещества и эффекта сопряжения химических связей в молекулах. Нормальная и инверсная заселенность квантовых состояний. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения. Коэффициенты Эйнштейна. Формула Планка. Усиление света при прохождении через инверсно заселенную среду. Понятие о лазерах.
Физическая природа химической связи. Электронное строение многоэлектронных атомов, гибридизация, объяснение причин появления пространственных форм молекул. Принцип максимального перекрывания. Внутреннее вращение в молекулах и его роль в биохимических реакциях. Движение частиц в многоатомных молекулах и виды молекулярной спектроскопии. Симметрия молекул и появление правил отбора.
Фотохимические реакции и особенности потенциальных поверхностей основных и возбужденных электронных состояний в молекулах. Распад молекул при фотовозбуждениях. Физическая природа фотосинтеза. Транспорт энергии при фотосинтезе. Зонная структура электронных состояний кристаллов. Заполненные и незаполненные зоны. Уровень Ферми. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Особенность проводимости в полупроводниках.
Систематика элементарных частиц. Законы взаимопревращений частиц, ядерные реакции, дефект массы. Строение ядер, ядерные силы, устойчивые и неустойчивые ядра, естественная и искусственная радиоактивность. Законы радиоактивного распада. Принципы радиоактивационного анализа. "Меченные" атомы в биологии. Пути использования ядерной энергии.
Примеры решения задач
Задача 1. Уравнение движения материальной точки имеет вид ,где .Определите среднее значение скорости, и ускорения в интервале времени от 2 до 4 сек.
Решение: по определению средней скорости:
По определению среднего ускорения, оно равно:
,
Мгновенная скорость может быть получена из уравнения
, тогда , .
Подставляя эти выражения в уравнение для среднего ускорения, получим:
.
То есть ускорение точки при заданном законе движения постоянно, что с очевидностью получается из уравнения движения, поскольку ускорение (его мгновенное значение) может быть получено дифференцированием уравнения движения, что дает именно такой результат:
Ответ:
Задача 2. С какой высоты упало тело, если вторую половину своего пути оно пролетело за 1 сек ?
Решение: Проиллюстрируем задачу графически.
Поскольку в условии задачи весь, участок движения разбит на два нам необходимо будет записать два уравнения движения.
Т ак как на нижнем отрезке S2 пути движение происходило с неизвестной нам начальной скоростью, рационально записать уравнения движения для всего отрезка и верхнего его участка S1, поскольку в этих случаях начальная скорость равна нулю.
Учтем, что тогда , .
Решая эти уравнения совместно, подставляя верхнее уравнение в нижнее, получаем:
Решение этого уравнения имеет вид:
Второе решение квадратного уравнения не подходит по смыслу - все время движения не может быть меньше времени движения на втором участке пути.
Подставляя в выражение для h значение t, получаем:
.
Ответ: h=29,07м.
Задача 3: Человек тянет груз за веревку, при этом веревка составляет с горизонталью угол 450, а коэффициент трения груза о горизонтальную поверхность, по которой он движется 0,01. Определите ускорение груза, если его масса 40 кг, а сила приложенная человеком к веревке 50 Н. Принять sin450=cos450=0,7.
Решение: В данном случае необходим также рисунок, иллюстрирующий условия задачи. Выберем систему отсчета таким образом, чтобы ось OX совпадала с землей, а ось OY была к ней перпендикулярна. Груз будем считать достаточно малым, чтобы его можно принять за материальную точку.
Т огда на рисунке все силы будут приложены в одной точке – центре груза.
Кроме того, необходимо спроектировать, силу тяги на оси координат и найти ее компоненты и . Только после этого можно записать условие задачи в аналитической форме:
Составим систему уравнений описывающих движение тела. Основное уравнение движения в векторной форме будет иметь вид:
Для решения задачи его надо записать в скалярной форме в проекциях на оси OX и OY, то есть оно распадается на два скалярных уравнения:
Кроме того, следует учесть зависимость силы трения скольжения от N. Окончательно система уравнений имеет вид:
Выразив из двух последних уравнений N и FТР, подставим их в первое и получим окончательно:
Ответ: а=0,78 м/с2.
Задача 4. К шару массой 2кг и радиусом 10см прикреплен стержень массой 4,8кг и длиной 1,2м, являющийся продолжением диаметра шара. Найти момент инерции системы относительно оси, проходящей через свободный конец стержня перпендикулярно к нему.
Решение. Момент инерции шара относительно оси О2О2 проходящей через центр шара .
Момент инерции шара относительно ОО по теореме Штейнера равен:
Момент инерции стержня относительно оси О1О1:
Момент инерции стержня относительно оси ОО по теореме Штейнера:
Суммарный момент инерции относительно оси ОО:
Ответ:
Задача 5. Блок имеет неподвижную ось вращения. Масса блока 1кг, радиус равен 0,2м. На блок намотана нить, к концу которой привязан груз массой 2кг. С каким ускорением будет двигаться груз?
Р ешение. Груз движется поступательно, IIзакон Ньютона для него имеет вид:
В проекции на ось у получим:
(1)
Блок вращается равноускоренно, для него запишем основное уравнение динамики вращательного движения:
(2), где (3)
Для однородного диска
(4)
Угловое ускорение связано с тангенциальным ускорением соотношением:
(5)
Подставив выражения 3, 4, 5 в уравнение (2), получим:
(6)
Решая совместно (1) и (6), получаем:
Ответ: а=8м/с2.
Задача 6. Человек массой 60кг стоит на краю платформы, имеющей форму диска радиусом 1м. Момент инерции платформы 20кг·м2. Платформа вместе с человеком вращается с угловой скоростью 1рад/с. Какую работу совершит человек, перейдя в центр диска? Момент инерции человека считать, как для материальной точки.
Решение. Поскольку взаимодействие происходит между человеком и платформой, систему считаем замкнутой и применяем закон сохранения момента импульса. В начальный момент времени момент инерции системы:
Момент импульса системы:
Когда человек перешел в центр платформы, его момент инерции стал равен 0, угловая скорость изменилась до ω2, а момент импульса
По закону сохранения момента импульса:
откуда
Начальная кинетическая энергия системы
Человек, перейдя в центр диска, совершил работу, что привело к изменению кинетической энергии системы, кинетическая энергия стала равной W2 .
По закону сохранения энергии работа равна:
(Дж)
Ответ: А=120 Дж.
Задача 7. В сосуде объемом 2м3 находится смесь 4кг гелия и 2кг водорода при температуре 27С. определить давление и молярную массу смеси газов.
Решение. Воспользуемся уравнением Клайперона – Менделеева, применив его к гелию и водороду:
(1)
(2)
где р1 – парциальное давление гелия; m1 – масса гелия; - его молярная масса; V - объем сосуда; Т - температура газа; R =8,31 Дж/(моль • К) - молярная газовая постоянная; p2 - парциальное давление водорода; m2 - масса водорода; - его молярная масса. Под парциальным давлением p1 и р2 понимается то давление, которое производил бы газ, если бы он только один находился в сосуде. По закону Дальтона давление смеси равно сумме парциальных давлений газов, входящих в состав смеси:
(3)
Из уравнения (1) и (2) выразим p1 и р2 подставим в уравнение (3).
Имеем
(4)