механики-полн(часть1)

Министерство образования республики Беларусь

МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ФИЗИКЕ

методические указания для студентов-заочников специальностей Т.05.04 - Машины и аппараты пищевых производств (МАПП),

Т.11.03 - Автоматизация технологических процессов и производств (АТПП), Т.05.07 - Низкотемпературная техника и энергетика (ХМУ)

Часть 1

Могилев 2001

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2

УДК 53

Рассмотрено и рекомендовано к изданию на заседании кафедры физики Протокол № ___от __ г.

Составители: доцент каф.физики к.ф.-м.н. СКАПЦОВ А.С. ст.преп.каф.физики ЗАБИРАН Т.В. ассистент кафедры физики СВЕТЛОВА Т.В.

Рецензент

профессор д.ф.-м.н. СКИБА П.А.

СМогилевский государственный технологический институт

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Физика - наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Основная цель науки - выявить и объяснить законы природы, которыми определяются все физические явления.

Основными задачами курса физики в институте являются:

1)Создание основ базовой теоретической подготовки, позволяющей

будущим специалистам хорошо ориентироваться в потоке современной научной

итехнической информации.

2)Формирование у студентов способностей к логическому мышлению и естественнонаучного мировоззрения об окружающих нас явлениях.

3)Создание ясного представления о физических явлениях и усвоение основных законов классической и современной физики.

4)Изучение студентами приемов и выработка навыков решения задач по различным разделам физики.

Целью настоящего методического указания является оказание помощи студентам-заочникам специальностей МАПП, АТПП и ХМУ при изучении курса физики.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Помимо этого, согласно действующим учебным планам, в институте организуется чтение лекций, проведение лабораторных работ, рецензирование контрольных работ и консультации.

Поэтому процесс изучения курса общей физики студентами заочной формы обучения можно условно разделить на следующие основные этапы:

-проработка установочных и обзорных лекций;

-самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;

-решение задач контрольных работ;

-выполнение лабораторного практикума;

-сдача зачетов и экзаменов.

При самостоятельной работе над учебным материалом необходимо:

1)Прослушать курс лекций по физике, организуемый для студентов заочной формы обучения.

2)Систематически в течение всего учебного года разбираться и изучать вопросы, изложенные в программе курса физики.

3)Выбрав какое-либо учебное пособие в качестве основного по определенной части курса, придерживаться данного пособия при изучении всего курса физики, чтобы не утрачивалась логическая связь между отдельными вопросами. Если основное пособие не дает полного или ясного ответа на

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

4

некоторые вопросы программы, необходимо обращаться к другим учебным пособиям. При чтении учебного пособия следует составлять конспект, в котором необходимо записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения физических величин и их единиц, делать чертежи и решать типовые задачи. При этом необходимо использовать рабочую программу курса физики.

4) В случае возникновения вопросов, касающихся решения задач или теоретического курса, пользоваться очными консультациями, проводимыми преподавателями кафедры физики.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Систематическое решение задач является необходимым условием успешного изучения курса физики. Решение задач помогает более детально разобраться и понять физический смысл явлений, закрепляет в памяти формулы, прививает навыки практического применения теоретических знаний.

При решении задач необходимо выполнять следующее:

1)Указать основные законы и формулы, на которых базируется решение, и дать словесную формулировку этих законов, разъяснить буквенные обозначения формул. Если при решении задачи применяется формула, полученная для частного случая, не выражающая какой-нибудь физический закон, или не являющаяся определением какой-нибудь физический величины, то ее следует вывести.

2)Дать чертеж, поясняющий содержание задачи (в тех случаях, когда это необходимо). Выполнять чертеж следует аккуратно, при помощи чертежных принадлежностей.

3)Решение задачи необходимо сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями.

4)Решить задачу в общем виде, т.е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи и взятых из таблиц. При этом способе не производятся вычисления промежуточных величин; числовые значения подставляются только в окончательную (рабочую) формулу, выражающую искомую величину.

5)Произвести анализ размерности искомой величины: подставить в

рабочую формулу размерность или обозначения единиц и убедиться в правильности размерности искомой величины или ее единицы.

6)Выразить все величины, входящие в рабочую формулу, в единицах СИ.

7)Подставить в окончательную формулу числовые значения, выраженные

вединицах одной системы, и произвести вычисление величин, пользуясь правилами приближенных вычислений.

8)Если в задаче требуется построить график изменения какой-то физической величины, то делать это необходимо с помощью чертежных

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

5

принадлежностей на листке миллиметровой бумаги, который вклеивается в тетрадь для контрольной работы.

9)Записать в ответе числовое значение и сокращенное наименование единицы измерения искомой величины.

10)При подстановке в рабочую формулу, а также при записи ответа

желательно числовые значения величины записать как произведение десятичной дроби с однозначащей цифрой перед запятой на соответствующую

степень десяти. Например, вместо 3520 надо записать 3.52×103, вместо 0.00129 записать 1.29×10-3 и т.д.

Умение решать задачи приобретается длительными и систематическими упражнениями. Чтобы научиться решать задачи и подготовиться к выполнению контрольных работ, следует после изучения очередного раздела учебника

внимательно разобрать помещенные в настоящем учебном пособии примеры решения типовых задач.

ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Контрольные работы призваны закрепить усвоение теоретической части каждого раздела курса (программы). Рецензирование контрольных работ преподавателями преследует две цели: осуществление институтом контроля за работой студента и оказание ему помощи в вопросах программы курса физики.

В процессе изучения физики студенты специальностей "Машины и аппараты пищевых производств", "Автоматизация технологических процессов и производств" и "Низкотемпературная техника и энергетика" должны выполнить пять контрольных работ, которые по содержанию разделов курса распределяются следующим образом:

1 - физические основы механики, колебания и волны; 2 - молекулярная физика и термодинамика;

3- электростатика, постоянный ток;

4- электромагнетизм;

5- оптика, квантово-оптические явления, элементы атомной и ядерной физики.

Контрольная работа №1 состоит из 8 задач, контрольная работа №2 - из 6, контрольная работа №3 - из 9 задач, контрольная работа №4 включает в себя 10 задач, а контрольная работа №5 -9 задач .

Определение варианта задания проводится по таблицам вариантов к контрольным работам в соответствии с последней цифрой номера зачетной книжки (студенческого билета). Например, если последняя цифра номера зачетной книжки (шифра) студента 7, то в контрольных работах 1, 2, 3, 4, 5 студент решает соответственно задачи: 7, 17, 27, 37, 47, 57 и т.д.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

6

При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие правила:

1)Контрольные работы выполняются только по условиям задач данного пособия.

2)Каждая контрольная работа выполняется в обычной школьной тетради. На титульном листе следует указать номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр, группу и домашний адрес.

3)Контрольные работы следует выполнять аккуратно. Для замечаний преподавателя на страницах тетради следует оставлять поля.

4)Каждая следующая задача должна начинаться с новой страницы.

5)Условия задач переписываются полностью, без сокращений, а данные следует выписать отдельно, при этом числовые значения должны быть переведены в систему СИ.

6)Решения задач должны сопровождаться исчерпывающими, но краткими пояснениями, раскрывающими физический смысл употребляемых формул, и выполняться в соответствии с правилами, изложенными в параграфе “Решение задач”.

7)В конце контрольной работы необходимо указать, каким учебником или учебным пособием студент пользовался при изучении физики (название учебника, автор, издательство, год издания).

8)Во избежание одних и тех же ошибок очередную работу следует высылать в институт по получении рецензии на предыдущую работу.

9)После получения из института прорецензированной работы студент обязан выполнить указания рецензента.

10)В случае, если контрольная работа при рецензировании не зачтена, студент обязан представить ее на повторную рецензию, включив в нее те задачи, решения которых оказались неверными. Повторная работа представляется вместе с незачтенной работой.

11)Контрольные работы, представленные без соблюдения указанных выше правил оформления, а также работы, выполненные не по своему варианту, не зачитываются.

12)Зачтенные контрольные работы предъявляются экзаменатору. Студент

должен быть готов дать во время экзамена пояснения по существу решения задач, входящих в его контрольные работы.

На экзаменах и зачетах студент должен излагать четко и достаточно подробно физическую сущность явлений, законов, процессов, творчески применять полученные знания к решению физических задач.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

7

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА КУРСА ФИЗИКИ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Введение

Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Связь физики с марксистско-ленинской философией и другими науками.

Физические основы классической механики

Механическое движение как простейшая форма движения материи. Представление о свойствах пространства и времени, лежащие в основе классической (ньютоновской) механики. Элементы кинематики материальной точки. Скорость и ускорение точки как производные радиуса-вектора по времени. Нормальное и тангенциальное ускорения. Радиус кривизны траектории. Поступательное движение твердого тела.

Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела. Закон инерции и инерциальные системы отсчета. Законы динамики материальной точки и системы материальных точек. Внешние и внутренние силы. Центр масс (центр инерции) механической системы и закон его движения. Закон сохранения импульса.

Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Работа переменной силы. Кинетическая энергия механической системы и ее связь с работой внешних и внутренних сил, приложенных к системе.

Поле как форма материи, осуществляющая силовое взаимодействие между частицами вещества. Потенциальная энергия материальной точки во внешнем силовом поле и ее связь с силой, действующей на материальную точку. Понятие о градиенте скалярной функции координат. Поле центральных сил. Потенциальная энергия системы. Закон сохранения механической энергии. Диссипация энергии. Закон сохранения и превращения энергии как проявление неуничтожимости материи и ее движения. Применение законов сохранения к столкновению упругих и неупругих тел.

Элементы кинематики вращательного движения. Угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейными скоростями и ускорениями точек вращающегося тела. Момент силы и момент импульса механической системы. Момент силы относительно оси. Момент импульса тела относительно неподвижной оси вращения. Момент инерции тела относительно оси.

Уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси. Кинетическая энергия вращающегося тела. Закон сохранения момента импульса и его связь с изотропностью пространства.

Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

8

Элементы специальной (частной) теории относительности

Преобразования Галилея. Механический принцип относительности. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Понятие одновременности. Относительность длин и промежутков времени.

Интервал между событиями и его инвариантность по отношению к выбору инерциальной системы отсчета как проявление взаимосвязи пространства и времени. Релятивистский закон сложения скоростей. Релятивистский импульс. Основной закон релятивистской динамики материальной точки. Релятивистское выражение для кинетической энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Энергия связи системы. Соотношение между полной энергией и импульсом частицы. Границы применимости классической (ньютоновской) механики.

Механические колебания и волны в упругих средах

Гармонические механические колебания. Кинематические характеристики гармонических колебаний. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Пружинный, физический и математический маятники. Энергия гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Апериодический процесс. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Амплитуда смещения и фаза вынужденных колебаний. Понятие о резонансе.

Волновые процессы. Механизм образования механических волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Синусоидальные (гармонические) волны. Уравнение бегущей волны. Длина волны и волновое число. Волновое уравнение. Фазовая скорость и дисперсия волн. Энергия волны. Принцип суперпозиции волн и границы его применимости. Волновой пакет. Групповая скорость. Когерентность.

Интерференция волн. Образование стоячих волн. Уравнение стоячей волны и его анализ.

Основы молекулярной физики и термодинамики

Статистический метод исследования и его связь с учением диалектического материализма о соотношении случайности и необходимости. Термодинамический метод исследования. Термодинамические параметры. Равновесные состояния и процессы, их изображение на термодинамических диаграммах. Вывод уравнения молекулярно-кинетической теории идеальных газов для давления и его сравнение с уравнением Клапейрона-Менделеева. Средняя кинетическая энергия молекул. Молекулярно-кинетическое толкование термодинамической температуры. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

9

Внутренняя энергия идеального газа. Работа газа при изменении его объема. Количество теплоты. Теплоемкость. Первое начало термодинамики.

Применение первого начала термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу идеального газа. Зависимость теплоемкости идеального газа от вида процесса. Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоемкостей идеальных газов и ее ограниченность.

Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения. Барометрическая формула. Закон Больцмана для распределения частиц во внешнем потенциальном поле. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул. Время релаксации. Явление переноса в термодинамически неравновесных системах. Опытные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Молекулярно- кинетическая теория этих явлений.

Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс (цикл). Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его КПД для идеального газа. Второе начало термодинамики. Независимость КПД цикла Карно от природы рабочего тела. Энтропия. Энтропия идеального газа. Статистическое толкование второго начала термодинамики. Критика идеалистического толкования второго начала термодинамики.

Отступления от законов идеальных газов. Реальные газы. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Эффективный диаметр молекул. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Сравнение изотерм Ван-дер- Ваальса с экспериментальными. Фазовые переходы 1 и 2 рода. Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа. Особенности жидкого и твердого состояний вещества.

Электростатика

Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Основные характеристики электростатического поля - напряженность и потенциал. Напряженность как градиент потенциала. Расчет электростатических полей методом суперпозиции. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Остроградского-Гаусса к расчету поля. Электрическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Типы диэлектриков. Электронная и ориентационная поляризация. Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость вещества. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость среды. Вычисление напряженности поля в диэлектрике. Сегнетоэлектрики.

Проводники в электрическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике. Электроемкость уединенного проводника. Взаимная емкость двух проводников. Конденсаторы.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

10

Энергия заряженных проводника, конденсатора и системы проводников. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.

Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Вывод закона Ома в дифференциальной форме из электронных представлений. Закон Видемана-Франца. Закон Ома в интегральной форме. Разность потенциалов, электродвижущая сила, напряжение. Затруднения классической теории электропроводности металлов. Границы применимости закона Ома. Ток в газах. Плазма. Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия.

Электромагнетизм

Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Ампера. Магнитное поле тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение 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 для магнитного поля в вакууме и его применение к расчету магнитного поля тороида и длинного соленоида. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Эффект Холла. МГД-генератор. Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток. Теорема Остроградского-Гаусса. Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.

Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции и его вывод из закона сохранения энергии. Явление самоиндукции. Индуктивность. Токи при замыкании и размыкании цепи. Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Энергия системы проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля.

Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков. Намагниченность. Микро- и макротоки. Элементарная теория диа- и парамагнетизма. Магнитная восприимчивость вещества и ее зависимость от температуры. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Опыты Столетова. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри. Домены. Спиновая природа ферромагнетизма.

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной форме.

Электромагнитные колебания и волны

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com