Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
ФИЗИКА
Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы образования всех специальностей вузов
Рекомендовано к изданию Научно-методическим советом Псковского государственного политехнического института
Псков
Издательство ППИ
2011
УДК 53
ББК 22.3
Ф 50
Рекомендовано к изданию Научно-методическим советом
Псковского государственного политехнического института
Рецензенты:
- Ю. М. Смирнов, доктор технических наук, профессор Санкт- Петербургского государственного политехнического университета;
- А. Н. Верхозин, доктор физико-математических наук, профессор Псковского государственного политехнического института.
Однобоков В. В., Михайлусова Т.Н., Волокитина Н.И.
Ф 50 Физика: Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы образования всех специальностей вузов. Под общ. ред. к.т.н., доцента В.В. Однобокова, — Псков, Издательство ППИ, 2011.—151с.
Предназначено для преподавателей ведущих курс общей физики и студентов заочной формы высшего профессионального образования всех специальностей.
ISBN
© В. В. Однобоков, 2011
© Псковский государственный политехнический институт, 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие……………………………………………………………………….3
Общие методические указания………………………………………………... 4
Понятие о физической картине мира… ……………………………………..7
Контрольные вопросы ч1………………………………………………………12
Контрольные вопросы ч2………………………………………………………14
Методические рекомендации при изучения курса физики………………..16
Учебные материалы по разделам курса физики……………………………30
Физические основы механики, молекулярной физики и
термодинамики...................................................................................................30
Основные формулы……………………………………………………….30
Примеры решения задач………………………………………………….47
Контрольная работа №1………………………………………………….55
1. Основы электродинамики………………………………………………….64
Основные формулы……………………………………………………….64
Примеры решения задач………………………………………………….77
Контрольная работа №2…………………………………………………..88
3. Колебания. Волны. Оптика………………………………………………...99
Основные формулы……………………………………………………….99
Примеры решения задач………………………………………………...114
Контрольная работа №3…………………………………………………120
4. Элементы атомной и ядерной физики и физики твёрдого тела……...130
Основные формулы……………………………………………………...130
Контрольная работа №4………………………………………………....135
Приложения……………………………………………………………………141
Литература…………………………………………………………………..…151
ПРЕДИСЛОВИЕ
Физика — наука о природе: о строении, свойствах и взаимодействии составляющих ее материальных тел и полей. Главная цель этой науки — выявить и объяснить законы природы, которые определяют все физические явления. Физика основывается на экспериментально установленных фактах. Занимая центральное место среди других естественных наук, она играет первостепенное значение в формирований научного материалистического мировоззрения.
Основными задачами курса физики в вузах являются:
1. Создание основ теоретической подготовки в области физики, позволяющей будущим специалистам ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающей возможность использования новых физических принципов в тех областях техники, в которых они специализируются.
2. Формирование научного мышления, в частности, правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов, теорий и умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или математических методов исследования.
3. Усвоение основных физических явлений и законов классической и современной физики, методов физического исследования.
4. Выработка приемов и навыков решения конкретных задач из разных областей физики.
Цель настоящего учебно-методического пособия — оказать помощь студентам-заочникам в изучении курса физики.
В пособии даны общие методические указания, экзаменационные вопросы, образцы решения задач и некоторые справочные материалы.
Сведения, связанные со спецификой изучения курса физики в ППИ, сообщаются студентам кафедрой физики дополнительно.
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедра физики организует чтение лекций, практические занятия и лабораторные работы. Процесс изучения физики состоит из следующих этапов:
1) проработка установочных и обзорных лекций;
2) самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;
3) выполнение контрольных работ;
4) прохождение лабораторного практикума;
5) сдача зачетов и экзаменов.
При самостоятельной работе над учебным материалом необходимо:
1) составлять конспект, в котором записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения основных физических понятий и сущность физических явлений и методов исследования;
2) изучать курс физики систематически, так как в противном случае материал будет усвоен поверхностно;
3) пользоваться каким-то одним учебником или учебным пособием (или ограниченным числом пособий), чтобы не утрачивалась логическая связь между отдельными вопросами, по крайней мере внутри какого-то определенного раздела курса.
Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал курса. В процессе изучения физики студент должен выполнить четыре контрольные работы. Решение задач контрольных работ является проверкой степени усвоения студентом теоретического курса, а рецензии на работу помогают ему доработать и правильно освоить различные разделы курса физики. Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами, приведенными в конце методических указаний. Прежде чем приступить к решению той или иной задачи, необходимо хорошо понять ее содержание и поставленные вопросы.
Контрольные работы распределены следующим образом:
1 — физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики;
2 — физические основы электродинамики; 3 — волновая оптика, квантовая природа излучения; 4 — элементы атомной, ядерной физики и физики твердого тела.
Первые три контрольные работы содержат по восемь задач. Вариант задания контрольной работы определяется в соответствии с последней цифрой шифра по таблице для контрольных работ. Если, например, последняя цифра 5, то студент решает задачи 5, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75.
Таблица вариантов
Контрольная работа №1,2,3,4
Четвёртая контрольная работа выполняется в виде реферата объёмом не менее 20-ти страниц четвёртого формата. Вариант выбирается аналогично. Если, например, последняя цифра 5, то студент пишет реферат по теме № 5.
При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие правила:
1) указывать на титульном листе номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес;
2) контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;
3) задачу своего варианта переписывать полностью, а заданные физические величины выписать отдельно, при этом все числовые величины должны быть переведены в одну систему единиц;
4) для пояснения решения задачи там, где это нужно, аккуратно сделать чертеж;
5) решение задачи и используемые формулы должны сопровождаться пояснениями;
6) в пояснениях к задаче необходимо указывать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи;
7) при получении расчетной формулы для решения конкретной задачи приводить ее вывод;
8) задачу рекомендуется решить сначала в общем виде, т. е. только в буквенных обозначениях, поясняя применяемые при написании формул буквенные обозначения;
9) вычисления следует проводить с помощью подстановки заданных числовых величин в расчетную формулу. Все необходимые числовые значения величин должны быть выражены в СИ (см. справочные материалы);
10) проверить единицы полученных величин по расчетной формуле и тем самым подтвердить ее правильность;
11) константы физических величин и другие справочные данные выбирать из таблиц;
12) при вычислениях по возможности использовать микрокалькулятор, точность расчета определять числом значащих цифр исходных данных (обычно в результате следует оставлять три значащих цифры);
13) в контрольной работе следует указывать учебники и учебные пособия, которые использовались при решении задач.
Контрольные работы, оформленные без соблюдения указанных правил, а также работы, выполненные не по своему варианту, не зачитываются.
При отсылке работы на повторное рецензирование обязательно представлять работу с первой рецензией.
На экзаменах и зачетах в первую очередь выясняется усвоение основных теоретических положений программы и умение творчески применять полученные знания к решению практических задач. Физическая сущность явлений, законов, процессов должна излагаться четко и достаточно подробно; решать задачи необходимо без ошибок и уверенно. Любая графическая работа должна быть выполнена аккуратно и четко. Только при выполнении этих условий знания по курсу физики могут быть признаны удовлетворительными.
ПОНЯТИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЕ МИРА
Начать изучение курса общей физики целесообразно рассмотрением физической картины мира, которая позволяет проследить логику развития физики, эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления. Познание мира человеком есть диалектически сложный и противоречивый процесс, творческий по своему характеру.
По мере накопления экспериментальных данных постепенно создавалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом.
Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков, позволили И. Ньютону открыть и сформулировать фундаментальные законы механики — науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними.
Во времена Ньютона эти законы казались настолько всеобъемлющими, что были положены в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно твердых частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразие окружающего мира, по Ньютону, заключалось в различии движения частиц.
Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока в 1873 г. Дж. Максвеллом не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения механики Ньютона. В отличие от классической механики, где предполагается, что взаимодействие между телами осуществляется мгновенно (теория дальнодействия), теория Максвелла утверждала, что взаимодействие осуществляется с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме, посредством электромагнитного поля (теория близкодействия). Создание специальной теории относительности — нового учения о пространстве и времени дало возможность полностью обосновать электромагнитную теорию.
В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов, молекул и макроскопических тел. Это положение и легло в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все происходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью законов электродинамики. Однако объяснить строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось.
Первым шагом на пути построения новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 г.: атомы излучают энергию дискретными порциями, квантами.
А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами.
Следующим шагом явилась модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами.
Наконец, в 1924 г. Л. де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпускулярно-волнового дуализма. По существу, это была попытка синтезировать две физические картины мира — ньютоновскую (корпускулярную) и максвелловскую (полевую-волновую). Окончательно новая физическая теория – квантовая механика - приобрела завершенную форму, благодаря трудам Э. Шредингера.
Первоначально квантовая механика создавалась как теория электронных оболочек атомов. Дальнейший прогресс был достигнут благодаря объединению принципа квантования с принципами теории относительности. В результате удалось получить уравнение, наиболее справедливо отражающее свойства электрона, в частности, его специфическую квантовую характеристику, спин. Только с учетом спина и принципа Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в атоме в одном и том же состоянии, были раскрыты закономерности строения электронных оболочек атомов и объяснен периодический закон Менделеева.
В течение десятилетий физики считали главной задачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела, стали эпохальными для физики XX в.
Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда других частиц явилось продолжением научного штурма общих принципов структурной организации материи.
Рассуждения об элементарных частицах приводят к строению атомов и молекул, поскольку именно из них построен окружающий нас мир и мы сами. Атом обусловливает индивидуальность любого химического элемента. В ядро атома входят протоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов связывают их в молекулу. Ядра атомов тяжелых элементов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может идти и в обратном направлении. Из ядер атомов легких элементов могут образовываться ядра атомов более тяжелых элементов. Это происходит при термоядерных реакциях, которые протекают, например, в недрах звезд.
Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти элементарные структурные единицы материи.
Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотного состояния подсказывало другую постановку вопроса: что если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике так называемого «Большого взрыва»? Богатое разнообразие элементарных частиц, возникающих в ходе взаимодействий при высоких энергиях, практически не существует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Однако такое разнообразие могло существовать в начале «Большого взрыва» и, возможно, при том состоянии Вселенной, которое получило название сингулярность, т. е. состояние сверхплотного сжатия и гигантских температур. Вероятно, от него и ведут начало стабильные элементарные частицы, составляющие строительный материал Вселенной в теперешнем ее состоянии.
Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц по современным данным соответствуют четыре типа физических взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствует свое поле и кванты этого поля, т. е. взаимодействия обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц, как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Предпринимается попытка создать единую теорию всех взаимодействий.
Таким образом, свойства микрочастиц и их взаимодействий помогают понять эволюцию Вселенной, начиная с момента начала её расширения до наших дней.
С точки зрения современной физики все многообразие видов материи может быть сведено к существованию двух ее основных видов: вещества и поля.
Физические поля обладают свойством связывать элементарные частицы в атомы, молекулы, макротела, планеты и т. д.
Всякое изменение, происходящее в окружающем нас мире, представляет движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.
Познание мира — процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества понятия относительные и предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
По физике, ч. 1.
1. Механическое движение. Роль системы отсчёта. Способы описания движения материальной точки. Основные кинематические величины: перемещение, скорость, ускорение.
2. Кинематические уравнения равнопеременного движения.
3. Основные динамические величины: сила, масса, импульс тела, момент силы, момент импульса.
4. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета.
5. Второй закон Ньютона. Динамические уравнения движения.
6. Третий закон Ньютона. Принцип реактивного движения.
7. Принцип относительности Галилея. Обобщение принципа на все явления природы.
8. Движение материальной точки по окружности. Центростремительное ускорение. Угловая скорость, угловое ускорение. Связь между линейной и угловой скоростью, между линейным и угловым ускорением.
9. Твердое тело. Поступательное и вращательное движение твердого тела. Момент инерции. Основной закон динамики вращательного движения твердого тела.
10. Закон сохранения импульса.
11. Закон сохранения момента импульса.
12. Кинетическая и потенциальная энергия. Потенциальное поле. Закон сохранения механической энергии.
13. Кинематика гармонического колебания.
14. Динамика гармонического колебания. Квазиупругая сила.
15. Сложение колебаний одинаковой частоты, происходящих вдоль одной прямой.
16. Сложение колебаний разных частот, происходящих вдоль одной прямой.
17. Сложение перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.
18. Неинерциальные системы отсчета. Описание движения в неинерциальных системах. Силы инерции. Центробежная сила. Сила Кориолиса.
19. Постулаты специальной теории относительности и следствия из них.
20. Электромагнитное взаимодействие. Роль системы отсчета. Закон Кулона.
21. Напряженность электростатического поля. Напряженность поля точечного заряда. Принцип суперпозиции.
22. Теорема Гаусса-Остроградского, ее применение для расчета полей.
23. Потенциал электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда. Потенциал поля системы точечных зарядов.
24. Связь между напряженностью и потенциалом.
25. Проводники в электрическом поле. Электростатическая индукция.
26. Электроемкость проводников. Конденсаторы. Примеры расчета емкости конденсатора (плоский, сферический, цилиндрический конденсаторы).
27. Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость. Электрическое смещение.
28. Постоянный ток. Стационарное электрическое поле. Закон Ома для однородного участка цепи.
29. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной (замкнутой) цепи.
30. Закон Ома для неоднородного участка. Законы Кирхгофа.
31. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.
32. Постоянное магнитное поле. Силовая характеристика поля - магнитная индукция. Напряженность магнитного поля.
33. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение для расчета магнитного поля.
34. Взаимодействие токов. Закон Ампера.
35. Циркуляция вектора намагниченности. Закон полного тока.
36. Магнитное поле в веществе. Намагниченность. Магнетики. Диа-, пара- и ферромагнетизм.
37. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Вихревое электрическое поле. Поле как вид материи, отличный от вещества.
38. Самоиндукция. Коэффициент самоиндукции проводника. Индуктивность соленоида.
39. Уравнения Максвелла в интегральной форме. Свободное электромагнитное поле. Уравнение электромагнитной волны.
40. Энергия и импульс электромагнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга. Получение и применение электромагнитных волн.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
По физике, ч. 2.
Интерференция света. Расчет интерференционной картины от двух когерентных точечных источников света.
1. Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона.
2. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля.
3. Дифракционная решетка. Особенности дифракционных спектров.
4. Поляризация света. Закон Брюстера. Закон Малюса.
5. Двойное лучепреломление. Призма Николя.
6. Вращение плоскости поляризации света. Сахариметры.
7. Тепловое излучение, его отличие от люминесценции. Закон Стефана-Больцмана.
8. Распределение энергии в спектре черного тела. Формула излучения Планка. Закон смещения Вина.
9. Излучение нечерных тел. Закон Кирхгофа.
10. Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Формула Эйнштейна.
11. Эффект Комптона.
12. Рентгеновские лучи. Природа тормозного рентгеновского излучения.
13. Теория атома водорода по Бору.
14. Постулаты квантовой механики. Уравнение Шредингера.
15. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа.
16. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Периодический закон Д.И. Менделеева.
17. Волновые свойства микрочастиц. Формула де Бройля. Соотношение неопределенностей.
18. Состав и строение атомного ядра. Нуклоны. Энергия связи.
19. Естественная радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада.
20. Энергетика ядерных реакций.
21. Термоядерная реакция синтеза ядер.
22. Реакция деления ядер урана. Ядерный реактор.
23. Классификация и превращаемость элементарных частиц.
24. Опытные газовые законы. Уравнение состояния идеального газа.
25. Уравнение молекулярно-кинетической теории для давления (уравнение Клаузиуса).
26. Уравнение молекулярно-кинетической теории для энергии (уравнение Больцмана).
27. Классическая теория теплоемкости газов. Затруднения классической теории.
28. 1-е начало термодинамики. Теплообмен и работа.
29. Адиабатический процесс. Уравнения Пуассона.
30. Тепловые и холодильные машины. Идеальные тепловые машины. Цикл Карно. Идеальная холодильная машина.
31. Энтропия. 2-е начало термодинамики (закон возрастания энтропии при неравновесном теплообмене в изолированной системе).
32. Статистический смысл II начала термодинамики. Вероятность и энтропия.
33. Вакуум. Способы получения и измерения вакуума.
34. Реальный газ. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
35. Твердые тела. Типы кристаллических решеток.
36. Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга и Пти. Дакон Джоуля и Коппа. Затруднения классической теории теплоемкости. Понятие о квантовой теории. Теория Эйнштейна и Дебая.
37. Явления переноса.
38. Структура и свойства жидкостей. «Дырочная» теория Френкеля.
39. Фазовые переходы I рода. Тройная точка.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
Физические основы классической механики
В современной физике основные понятия классической механики не утратили своего значения, а получили лишь дальнейшее развитие, обобщение и критическую оценку, с точки зрения пределов их применимости. При изложении физических основ механики следует избегать абстрактности механических представлений, максимально сближая теорию с реальными физическими явлениями и конкретной природой действующих сил.
В начале изложения кинематики точки и поступательного движения твердого тела следует остановиться на представлениях о свойствах пространства и времени, которые лежат в основе классической механики. В классической механике пространство и время рассматриваются как объективные формы существования материи. Предполагается, что тела и их движение не влияют ни на ход времени, одинаковый во всех инерциальных системах отсчета, ни на свойства пространства. В классической механике признается возможность мгновенной передачи взаимодействий между телами.
При изложении кинематики необходимо использовать математический аппарат векторной алгебры и дифференциального исчисления. Следует получить выражения для касательной и нормальной составляющих ускорения материальной точки в криволинейном движении и ввести понятие о радиусе кривизны траектории.
При изложении динамики материальной точки и поступательного движения твердого тела внимание нужно сосредоточить на законах движения центра масс механической системы, законе сохранения импульса и условии сохранения проекции импульса на ось; на условии независимости работы от формы траектории и ее связи с кинетической энергией механической системы. Особенно тщательно и неторопливо следует излагать вопросы о поле как форме материи, осуществляющей взаимодействие между частицами вещества или телами, о потенциальной энергии материальной точки во внешнем поле и потенциальной энергии механической системы, о законе сохранения механической энергии.
Кинематические характеристики вращательного движения твердого тела и их связь с линейными характеристиками целесообразно рассматривать непосредственно перед динамикой вращательного движения. Необходимо ввести понятие о моменте силы и моменте импульса механической системы относительно неподвижной точки и оси. В связи с изложением вопроса о моменте инерции тела относительно оси не следует вводить тензор инерции.
Законы сохранения импульса, момента импульса и механической энергии обычно выводят, основываясь на законах Ньютона. Важно обратить внимание студентов на то, что в отличие от законов Ньютона законы сохранения являются универсальными законами, которые отражают фундаментальные свойства симметрии пространства и времени. Для иллюстрации универсальности законов сохранения и эффективности их использования при решении реальных физических задач можно применить эти законы к расчету удара двух тел.
При изучении темы о неинерциальных системах отсчета и силах инерции нужно отметить, что два основных положения ньютоновской механики, согласно которым ускорение всегда вызывается силой, а сила всегда обусловлена взаимодействием между телами, не выполняются одновременно в системах отсчета, движущихся с ускорением. Полезно обсудить вопрос о том, являются ли силы инерции «реальными» или «фиктивными», а также об эквивалентности сил инерции и тяготения.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 417.