Физика

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физики

ФИЗИКА Учебно-методическое пособие для поступающих в ТУСУР

под редакцией доцента кафедры физики Томского университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

А.В. Лячина

2018

3

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее пособие предназначено, в первую очередь, для желающих поступить в ТУСУР и для преподавателей осуществляющих их подготовку. Поскольку вступительная работа является письменной, то первостепенное значение имеет умение абитуриента уверенно решать задачи и грамотно оформлять их решение. Поэтому основная цель данного пособия – способствовать приобретению этих навыков. Пособие призвано помочь лучше усвоить курс при самостоятельной работе или при обучении на подготовительных курсах.

Вначале данного пособия приводится «Программа по физике для подготовки к поступлению в ТУСУР», инструкция по оформлению решения задач по физике, правила вычислений (знание которых позволит абитуриенту избежать наиболее распространённых ошибок при получении численного ответа), критерии проверки работ.

Данное пособие базируется на банке задач для вступительных испытаний, который разработан преподавателями кафедры физики ТУСУР.

Задачи в банке разбиты на восемь классов трудности. В данное пособие

не включены задачи первого и второго классов трудности, т.к. они не исполь-

зуются при составлении билетов. Задачи с третьего по седьмой классы трудности опубликованы в полном объёме. Задачи восьмого класса опубликованы выборочно.

Весь материал пособия разбит на 11 разделов по тематическому принципу. Ещё один раздел посвящён комбинированным задачам, для решения которых потребуются знания из нескольких разделов физики.

Каждый из 11 разделов предваряется кратким обзором теоретических положений по рассматриваемой теме. Следует иметь в виду, что этот обзор преследует, в основном, справочные цели и не может заменить углубленное, систематическое изучение материала физики по школьным учебникам. Применение изложенных сведений демонстрируется на примерах решения нескольких характерных задач, охватывающих содержание рассматриваемой темы.

Взаключении раздела читателю предлагается база задач различного класса трудности для самостоятельного решения. Ответы ко всем задачам банка приведены в конце пособия. Там же помещено приложение к билету для вступительных испытаний по физике (приложение 1).

Сжатый объём пособия естественным образом повлиял на стиль изложения и оформления материала. В тексте возможны неточности и опечатки, незамеченные автором. Свои предложения и замечания можете направлять по адре-

су lavp@sibmail.com.

4

ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ПОСТУПЛЕНИЮ В ТУСУР

Программа по физике для подготовки к вступительным испытаниям, проводимым ТУСУРом самостоятельно разработана на основе федерального государственного образовательного стандарта среднего общего образования и федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования.

ТЕМЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ

1. Кинематика. Равномерное и равнопеременное движение

Траектория (путь) и перемещение. Средняя скорость; сложение скоростей, относительная скорость. Принцип независимости движения. Равномерное движение по окружности, центростремительное ускорение, связь между линейной и угловой скоростями.

2. Динамика материальной точки

Законы Ньютона. Импульс. Импульс силы. Закон сохранения импульса. Силы в механике: сила тяжести, вес тела, сила упругости, сила трения, центробежная сила инерции. Работа, мощность, коэффициент полезного действия в механике. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения механической и полной энергии. Абсолютно неупругий и упругий удары, скорости тел в результате этих ударов. Момент силы, условие равновесия относительно оси вращения.

3. Жидкости и газы

Идеальный газ, уравнение состояния идеального газа. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ). Температура, средняя энергия теплового хаотического движения молекул, число степеней свободы. Закон Дальтона. Давление в жидкостях. Сила Архимеда.

4. Тепловые явления

Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам идеального газа: изохорному, изобарному, изотермическому и адиабатическому. Внутренняя энергия. Удельная и молярная теплоемкости, уравнение Майера. Удельная теплота плавления, парообразования, удельная теплота сгорания. Уравнение теплового баланса. Тепловые машины, коэффициент полезного действия (к.п.д.) идеальных и обычных тепловых машин.

5. Силовое действие поля

Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие зарядов, закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Электрическое поле заряженной плоскости. Электрическое поле между двумя заряженными плоскостями. Электрическое поле в веществе, диэлектрическая проницаемость.

5

6. Потенциальная энергия

Энергия взаимодействия заряженных тел, потенциал, разность потенциалов. Работа электростатического поля. Связь между напряженностью однородного электрического поля и потенциалом. Конденсаторы. Электроемкость плоского конденсатора, сферы. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора, плотность энергии электростатического поля.

7.Электрический ток

Сила тока. Закон Ома для участка цепи и замкнутой цепи. Сторонние

силы, ЭДС источника тока, внутреннее сопротивление. Сопротивление проводников, удельное сопротивление, зависимость сопротивления проводников от температуры. Последовательное и параллельное соединение проводников. Закон Джоуля-Ленца. Работа, мощность тока. Переменный ток: действующие значения тока и напряжения. Реактивное сопротивление индуктивности и емкости, импеданс.

8.Электромагнетизм

Взаимодействие проводников с током, сила Ампера. Вектор магнитной

индукции, сложение магнитных полей. Линии магнитной индукции прямолинейного тока и контура с током. Вращающий момент контура с током. Сила Лоренца: радиус орбиты и период обращения заряженной частицы, движущейся в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Величина ЭДС индукции. Правило Ленца о направлении индукционного тока. Индуктивность. Связь между магнитным потоком (потокосцеплением) и индуктивностью. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля катушки и плотность энергии магнитного поля.

9.Колебания и волны

Механические гармонические колебания. Характеристика колебаний:

смещение, скорость, ускорение, период, частота, круговая частота, амплитуда, фаза. Период колебаний математического и пружинного маятника. Закон сохранения энергии при гармонических колебаниях. Электромагнитные колебания в контуре. Колебания заряда, напряжения на конденсаторе, тока в контуре. Частота и период колебаний. Резонанс тока, резонансная частота. Закон сохранения энергии при электрических колебаниях. Волны механические и электромагнитные. Уравнение плоской волны, фаза волны. Длина волны, связь между длиной волны и скоростью распространения волны.

10.Оптика

Законы отражения и преломления света. Показатель преломления вещества. Явление полного внутреннего отражения. Тонкие линзы. Построение изображения в тонких собирающих и рассеивающих линзах, в том числе, изображение точки, лежащей на главной оптической оси. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. Увеличение линзы. Интерференция света. Оптическая разность хода. Условие максимума и минимума интерференции. Дифракция света. Дифракционная решетка, условие главных максимумов дифракционной

6

решетки. Максимальный порядок дифракции.

11.Микрофизика

Двойственная природа света. Фотоны: энергия, импульс, масса, давление света. Внешний фотоэффект, формула Эйнштейна. Задерживающее напряжение, красная граница фотоэффекта. Элементы специальной теории относительности: полная энергия, кинетическая энергия и энергия покоя, импульс релятивистской частицы. Взаимосвязь массы и энергии. Состав, характеристики атомного ядра. Дефект масс, энергия связи ядра, удельная энергия связи. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.

7

ИНСТРУКЦИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ

Предметная олимпиада по физике проводится в письменной форме. Продолжительность олимпиады – 240 мин.

В билете содержится 8 задач, которые расположены в порядке нарастания трудности и состоят из трех блоков А, В, С. Блок «А» содержит пять первых задач и оценивается в 50 баллов. Блок «В» содержит две следующие задачи и оценивается в 30 баллов. Блок «С» содержит одну задачу и оценивается в 20 баллов. Максимальный балл за работу – 100 баллов.

Информация о продолжительности олимпиады, количестве задач и о количестве баллов за задачи соответствующего блока справедлива на момент выхода в печать данного пособия.

Работа должна иметь подробное физически верное решение, приводящее к правильному ответу. В решении задачи выделяются следующие обязательные элементы.

Анализ. Суть его в том, что абитуриент должен описать основные процессы и явления, о которых идёт речь в задаче.

Пример: в задаче надо найти время полёта камня, брошенного вертикально вверх. Абитуриент должен написать, что: 1) движение камня в поле тяжести Земли является равноускоренным; 2) ускорение равно g=9,8 м/с2 и направлено оно вертикально вниз; 3) камень движется по прямолинейной траектории, поэтому для описания его движения достаточно одной оси координат.

Рисунок. Рисунок, иллюстрирующий условие задачи и ход рассуждений по ее решению, обязателен во всех задачах:

а) кинематики, динамики, где используются векторные величины (при этом необходимо указать направления всех векторных величин в выбранной системе отсчета); б) молекулярной физики и термодинамики (графики процессов);

в) на расчет электрических и магнитных полей и движение тел в этих полях (направление силовых характеристик полей, направление движения, направление силы); г) на явление электромагнитной индукции и поток вектора магнитной ин-

дукции (направление вектора магнитной индукции, положение контура, направление нормали к поверхности ограниченной контуром, направление тока в контуре, в том числе индукционного); д) на электрические цепи (электрическая схема, колебательный контур, соединения конденсаторов и сопротивлений);

е) геометрической оптики (показать ход лучей на границе раздела сред, в оптических системах с линзами и зеркалами) и волновой оптики (показать

8

ход лучей, изобразить дифракционную решётку и распределение интенсивности света на экране).

Название формул. Примеры: «по определению», «закон Джоуля-Ленца», «уравнение кинематики равноускоренного движения», «формула тонкой линзы», «из геометрии».

Условия применимости формул. Примеры: 1. «Будем решать задачу в системе отсчёта, связанной с Землёй. Эту систему можно приближённо считать инерциальной. Тогда справедлив второй закон Ньютона». 2. «При протекании тока в проводниках справедлив закон Ома».

Пояснения к выкладкам. Это элемент может отсутствовать, если задача решается с помощью одной формулы, применённой один раз.

Пояснения к вводимым обозначениям, если они не являются общепри-

нятыми и не трактуются однозначно. Примеры: 1. «Пусть t1 – время полёта первого тела, а t2 – время полёта второго тела». 2. «Пусть L – длина поезда, S – путь пройденный поездом, x – расстояние между поездами». 3. «Пусть v – скорость лодки относительно берега, u – скорость течения реки, v' – скорость лодки относительно реки».

Проверка размерности. Правильный числовой ответ.

Указание единиц измерения искомой величины (искомых величин, ес-

ли задача решена по действиям).

При отсутствии каких-либо элементов налагаются штрафные санк-

ции (см. «Критерии оценки работы», приведённые ниже).

В конце решения задачи необходимо записать ответ в виде:

Ответ: А=23,5 кДж

Ответ должен включать численное значение результата в виде десятич-

ной дроби и единицы измерения. Необходимо давать ответ в тех единицах

измерения, которые указаны в условии задачи.

Численные данные в задачах подобраны так, чтобы вычисления были простыми и не требующими округления. При правильном решении задачи ответ не должен содержать более пяти значащих цифр (12345 или 12,345∙103). При вычислениях следует использовать только те значения констант, которые приведены в справочном листе. Данная информация справедлива на момент выхода в печать данного пособия.

ВЫЧИСЛЕНИЯ

Ответ любой задачи – это целое число или десятичная дробь. В процессе вычислений не допускается округления чисел. В случае решения задачи по действиям, результаты соответствующих промежуточных вычислений, являющиеся иррациональными числами, представляйте без округлений (например, в виде простой дроби, корня или степени числа). Например, результаты промежуточ-

9

ных вычислений могут иметь вид: 2 , 3 или 10 1/2 . В окончательном расчёте

3

иррациональности должны исчезать.

Обращайте внимание на те численные данные условия задачи, которые кратны числу π. Например, круговая (циклическая частота) колебаний или угловая скорость ω = 62,8 рад/с или период колебаний маятника T = 0,314 мс.

Кроме того, Вам предлагается π2 принимать равным 10. Это касается также и возведения в квадрат чисел, кратных π. Например, если ω = 62,8 рад/с, то

ω2 = (20∙3,14)2 = 202∙3,142 = 400∙10 = 4000 рад2/с2.

В расчётах используйте только те физические постоянные, которые приведены в приложении к билету по физике. Например, в процессе решения задачи Вы можете оперировать с числом Авогадро NA и с постоянной Больцмана kB. Однако, в окончательном выражении они должны отсутствовать, войдя, например, в комбинацию NA∙kB = R, где R – универсальная газовая постоянная.

Комбинация величин 1 , часто встречающаяся в задачах на электриче-

4 0

ство, и называемая коэффициентом пропорциональности в законе Кулона, ис-

постоянная 0 используется в расчётах отдельно только в формулах для ёмко-

сти плоского конденсатора С 0S и напряженности электрического поля

2 0

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ РАБОТ

За каждый из перечисленных ниже недочётов оценка задачи любого блока снижается на 3 балла:

отсутствует требуемый рисунок, либо рисунок выполнен неверно;

арифметическая ошибка в расчетах;

ошибка в записи одной формулы, не приводящая к неверномурезультату;

ошибка при переводе из одних единиц измерения в другие;

ответ представленне вединицахизмерения, требуемыхпо условию задачи;

используемый в решении задачи физический закон назван неверно или не назван вообще;

не указана или неверно указана единица измерения физической величины;

приводится правильное окончательное выражение, но оно не выведено через основные законы и формулы.

10