Раздел 1. Повторим математику

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.................................................................................................. 5

Введение......................................................................................................... 6

Раздел 1. Повторим математику................................................................... 7

1.1. Тригонометрия................................................................................ 7

1.2. Действия с векторами...................................................................... 7

1.3. Построение графиков степенных функций.................................... 8

1.4. Дифференцирование и интегрирование математических функций........... 9

Раздел 2. Предмет физики............................................................................. 10

2.1. Явления, изучаемые физикой......................................................... 10

2.2. Место и роль физики в системе других наук (дисциплин)............ 10

2.3. Виды материи и движения.............................................................. 11

2.4. Единицы измерения основных и дополнительных физических величин в системе «СИ»..................................................................................................... 12

2.5. Множители и приставки кратных и дольных единиц................... 12

Раздел 3. Механика....................................................................................... 12

3.1. Виды механики................................................................................ 12

3.2. Система отсчёта............................................................................... 13

3.3. Физические модели......................................................................... 13

3.4. Способы задания движения. Уравнение движения....................... 14

3.5. Общий случай криволинейного движения.................................... 14

3.6. Прямая задача кинематики для поступательного и вращательного движения. Аналогия формул.......................................................................................... 15

3.7. Обратная задача кинематики для поступательного и вращательного движения. Аналогия формул.................................................................................. 16

3.8. Графики зависимости параметров поступательного и вращательного движения от времени............................................................................................... 17

3.9. Аналогия формул динамики для поступательного и вращательного движения.................................................................................................................. 18

3.10. Виды сил в механике и потенциальная энергия тел для разных видов взаимодействия..................................................................................................... 19

Раздел 4. Молекулярная физика. Термодинамика...................................... 21

4.1. Свойства агрегатных состояний вещества..................................... 21

4.2. Расчёт основных параметров газа................................................. 22

4.3. Информация о газовых процессах................................................. 23

4.4. Сравнение двух методов исследования......................................... 25

4.5. Число степеней свободы тел и молекул с учётом поступательного и вращательного движения......................................................................................... 26

4.6. Сравнение разных видов энергии идеального газа...................... 27

4.7. Сравнение прямого и обратного кругового газового процесса.. 27

4.8. Сравнение первого и второго начала термодинамики................. 28

4.9. Сравнение коэффициентов полезного действия циклов................ 29

Раздел 5. Электростатика и постоянный электрический ток....................... 30

5.1. Электрический заряд – источник тока........................................... 30

5.2. Пробный заряд – индикатор поля................................................. 30

5.3. Заряд электрона – наименьший в природе................................... 30

5.4. Сила Кулона – мера взаимодействия электрических зарядов...... 31

5.5. Сравнение силовых и энергетических характеристик электростатического поля................................................................................................................ 31

5.6. Графическое изображение электростатических полей.................. 32

5.7. Сравнение силовых параметров гравитационных, электростатических и магнитных полей........................................................................................... 33

5.8. Два вида соединений элементов цепей переменного тока............. 34

5.9. Аналогия параметров конденсатора и катушки как элементов электрических цепей............................................................................................................... 35

5.10. Сравнение двух типов источников магнитных полей................. 36

5.11. Аналогия формул для расчёта работы........................................ 38

5.12. Три вида магнетиков..................................................................... 39

5.13. Сравнение принципа устройства электродвигателя и электрогенератора........................................................................................................................ 40

5.14. Три траектории движения электрического заряда в магнитном поле..... 41

Раздел 6. Колебания..................................................................................... 42

6.1. Модель колебательного движения – проекция вращательного движения на плоскость........................................................................................................ 42

6.2. Аналогия параметров вращательного и колебательного движения........... 42

6.3. Аналогия формул кинематики поступательного движения и механических колебаний материальной точки с описанием электромагнитных колебаний в контуре (Условия осуществления колебаний)............................................................ 43

6.4. Сравнение механических колебаний пружинного и математического маятников с электромагнитными колебаниями в контуре...................................... 45

6.5. Расчёт частоты и периода незатухающих колебаний для пружинного, физического, математического маятников и колебательного контура........................................ 47

6.6. Сравнение незатухающих и затухающих механических и электромагнитных колебаний....................................................................................................... 49

6.7. Сравнение свободных и вынужденных электромагнитных колебаний..... 51

6.8. Сравнение трёх элементов цепей переменного тока..................... 53

6.9. Последовательное и параллельное соединение элементов в цепях переменного тока............................................................................................................ 54

6.10. Три метода задания и сложения гармонических колебаний....... 55

Раздел 7. Оптика........................................................................................... 57

7.1. Теории физической природы световых явлений........................... 57

7.2. Законы геометрической оптики...................................................... 58

7.3. Ход лучей в зеркале и в призме..................................................... 59

7.4. Сравнение свойств двояковыпуклых и двояковогнутых тонких линз....... 59

7.5. Сравнение расположения максимумов и минимумов интенсивности света при интерференции, дифракции световых волн........................................... 62

Библиографический список.......................................................................... 63

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Реформирование современного образования и появление двухуровневой системы высшего профессионального образования приводят к уменьшению трудоемкости дисциплин цикла ЕН на первых курсах бакалавриата. При этом появляется необходимость уделять особое внимание развитию познавательных способностей студентов.

Приобретение знаний, формирование навыков и умений, развитие способностей (процесс образования ассоциаций) имеет определенную логическую последовательность (поэтапно):

1) восприятие учебного материала;

2) его осмысление, доведение до понимания внутренних связей и противоречий;

3) запоминание и сохранение в памяти;

4) применение усвоенного материала в практической деятельности.

Наивысший результат в обучении достигается при соблюдении следующих условий:

а) формирование активного отношения со стороны обучающихся;

б) подача учебного материала в определенной последовательности (в пособии это выполняется при помощи блочного представления схем, таблиц и диаграмм);

в) демонстрация и закрепление в упражнениях различных приемов умственной и практической деятельности;

г) применение знаний на практике.

Содержание пособия соответствует программе дисциплины «Физика» для всех специальностей и направлений бакалавриата.

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие разработано для оказания помощи студентам как в освоении теоретической части дисциплины «Физика», так и при решении физических задач. Материал сгруппирован по разделам дисциплины таким образом, чтобы облегчить его поиск и применение.

Физика как обязательная составляющая содержания образования формирует у студентов знания о свойствах пространства и времени, о веществе и поле, явлениях природы. В настоящее время базисный учебный план и стандарты физического образования требуют существенных изменений в структуре и методике преподавания физики. В каждый раздел включает основной материал, глубокого и прочного усвоения которого следует добиваться, не загружая память студентов множеством частных факторов.

Основная идея данного пособия заключается в использовании метода аналогий, образных связей при организации учебно-позна­вательного процесса, что позволит улучшить усвоение дидактических единиц. В качестве элементов учебного материала используются дидактически единицы (блоки) – относительно завершенные элементы содержания информации – представленные в виде схем, совокупность формул и диаграммы. В результате у студентов формируется умение сжато, образно, в логической взаимосвязи интерпретировать теоретическую информацию, что способствует глубокому осмысленному усвоению.

Использование блок-схем, таблиц и диаграмм позволяет студенту сравнивать методы расчета физических величин, прослеживать аналогию форм записи физических уравнений и законов для разных видов движений и взаимодействий, обобщать методы описания физических полей, а также анализировать принципы устройства и работы различных механизмов.

Работа с пособием полезна для улучшения усвоения теоретического материала студентами при их самостоятельной работе. Кроме того, упрощается формирование навыков ведения конспекта, что является важным аспектом адаптации первокурсников к обучению в вузе. Пособие позволяет лектору более широко использовать технические средства обучения.

Пособие издается в комплексе с заданиями к самостоятельной работе студентов по физике (ч. 1, 2).

Действия с векторами

– проекция вектора на ось OХ	= ОА, =
– результат сложения векторов и		1.   2.
– результат вычитания вектора из вектора	Проверка: ,

Окончание таблицы

k – результат скалярного произведения векторов и	, ; при φ = 90^º k = 0
– результат векторного произведения векторов и	,
– результат уменьшения вектора на число К		К =2 а

 

 

Математических функций

 

Функция	Производная	Интеграл
название	уравнение
Степенная	y = А · х^n	= А · n · х^n ^–^1	= = = , c – постоянная
Постоянная	y = с 1		∫ с 1 x ^0 dx = с 1 x + с, c – постоянная
Экспоненциаль- ная	y = e^х	e^х	∫ e^хdx = e^х + c c – постоянная
Логарифми- ческая	y = ln х	, х > 0	∫ ln х dx = x ln x – x+ c, c – постоянная
Тригонометри- ческие	y =sin x, y =cos x	cos x, –sin x	∫ sin x dx = –cos x+ c, ∫ cos x dx = sin x+ c, c – постоянная
Сложная	y = f 1(х), х = f 2 (t); y = sin x, х = ω · t, y = sin (ω · t)	, , ,	Не рассматривается в данном курсе физики

РАЗДЕЛ 2. ПРЕДМЕТ ФИЗИКИ

Явления, изучаемые физикой

 

Явления природы	Раздел физики
Механические (движение тел)	Механика, механические колебания
Тепловые (движение молекул)	Молекулярная физика и термодинамика
Электрические (взаимодействие и движение зарядов)	Электростатика, постоянный и переменный электрический ток
Магнитные (взаимодействие токов)	Электромагнетизм, электромагнитные колебания
Ядерные (взаимодействие и движение заряженных микрочастиц)	Атомная и ядерная физика

 

 

2.2. Место и роль физики в системе других наук (дисциплин)

 

 

Виды материи и движения

 

 

РАЗДЕЛ 3. МЕХАНИКА

Виды механики

 

№ п/п	Название	Основоположник	Границы применимости	Массы	Скорости	Сравнение скоростей движения со скоростью света в вакууме
	Классическая	Ньютон	макромир	средние	малые	υ << с
	Космическая	Кеплер	космос	сверхбольшие	средние	υ < с
	Релятивистская	Эйнштейн	микромир	сверхмалые	сверхбольшие	υ ≈ с
	Квантовая	Планк	микромир	сверхмалые	разные	0 ≤ υ ≤ с

Система отчёта

 

 

СО = ТО + СК + Ч

 

№ п/п	Система отчёта	Вид движения системы отчёта	Ускорение системы отчёта	Движение тел в системе отчёта	Выполнение законов Ньютона	Сила инерции
	ИСО	РМ, ПЛ	aτ = 0, an = 0	любое	выполня- ются
	НеИОС	ПЛ   РУ РЗ	an = 0, aτ = const, aτ > 0, aτ < 0	покоится	не выполняются
	НеИСО	РМ по окружности	aτ = 0, an = const,	1) покоится   2) РМ, ПЛ	не выполняются   не выполняются

Физические модели

	Материальная точка	Пренебрегаем формами и размерами тела по сравнению с другими расстояниями в данной задаче
	Абсолютно твёрдое тело	Пренебрегаем деформацией

 

3.4. Способы задания движения. Уравнение движения

Способ	Рисунок	Параметры и их связи	Уравнение движения
Векторный		– радиус-вектор
Координатный		ПЛ координаты	Δ x = f 1 (t) Δ y = f 2 (t) Δ z = f 3 (t)
Естественный		s – КЛ координата Δ s = s 2 – s 1	Δ s = f (t)

Аналогия формул

№ п/п	Величина	Линейные величины	Угловые величины	Связь скалярных линейных и угловых величин
Векторные	Скалярные	Скалярные
	Путь (изменение положения тела)
	перемещение по хорде	Δ S = S – S 0 (м) линейный путь по траектории	Δ φ = φ – φ 0 (pад) угловой путь	Δ S = Δ φ ^. R
	Скорость (изменение положения тела за единичный промежуток времени)
а)	средняя за большой промежуток времени	по хорде			= ^. R
б)	мгновенная за бесконечно малый промежуток времени				= ω ^. R
	Ускорение – изменение скорости тела за единичный промежуток времени
а)	среднее				= ^. R
б)	мгновенное	внутрь кривизны (полное)
в)	тангенциальное (характеризует изменение υ по величине)		направлено по касательной к траектории		ατ = ε R
г)	Нормальное (характеризует изменение υ по направлению)		Направлено к центру кривизны		αn = ω ^2 R
д)	полное

Аналогия формул

 

№ п/п	Поступательное движение. Линейные величины	Вращательное движение. Угловые величины
Параметр	Формула	Вид движения	Параметр	Формула	Вид движения	Связь с дополнительными параметрами вращательного движения
	Линейная скорость	υ 0 = υ 0 = const	РУ (aτ > 0) РЗ (aτ < 0) РМ (aτ = 0)	Угловая скорость	ω = ω 0 + εt ω = ω 0 – εt ω = ω 0 = const	РУ (ε > 0) РЗ (ε < 0) РМ (ε = 0)
	Линейный путь (уравнение движения)		РУ (aτ > 0)   РЗ (aτ < 0)   РМ (aτ = 0)	Угловой путь (уравнение движения)		РУ (ε > 0)   РЗ (ε < 0)   РМ (ε = 0)

 

Аналогия формул динамики

Газового процесса

 

Название	Прямой цикл	Обратный цикл
График
Направление	по часовой стрелке	против часовой стрелки
Работа газа графически (расширение)	площадь фигуры V11 в 2 V2	площадь фигуры V11 Н 2 V2
Работа внешних сил графически (сжатие)	площадь фигуры V11 Н 2 V2	площадь фигуры V11 в 2 V2

Окончание таблицы

Сравнение работы газа и внешних сил	Аг > Авн.с	Аг < Авн.с
Работа цикла	площадь фигуры 1 в 2 Н1 (> 0)	площадь фигуры 1 Н 2 в 1 (< 0)
Название механизма	Тепловая машина	Холодильная машина
Схема устройства и направление процессов передачи количества теплоты
Газ	смесь паров горючего с воздухом	Фреон
Роль механизма	Совершение работы за счёт получения от нагревателя тепла	Отнятие тепла от холодильника за счёт работы внешних сил

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Электростатического поля

№ п/п		Силовые величины	Энергетические величины
	Основной параметр	Силы Кулона	Потенциальная энергия взаимодействия заряда
	Определение характеристики поля
	Расчёт характеристики поля для точечных зарядов.
	Принцип суперпозиции полей
	Связь характеристик

Окончание таблицы

	Графическое изображение полей	Силовые линии: (СЛ) 1) Вектор касателен к СЛ в любой точке СЛ. 2) Направлены от +∞, к –∞ 3) Разомкнуты 4) Густота ~ 5) СЛ не пересекают друг друга	Эквипотенциальные поверхности: ЭПП 1) φ = const в любой точке ЭПП   2) Без направления (не имеют) 3) Замкнуты 4) чем r >, тем < 5) ЭПП не пересекают друг друга
	СЛ пересекают ЭПП под прямым углом СЛ ЭПП

 

 

Три вида магнетиков

№ п/п		Диамагнетики	Парамагнетики	Ферромагнетики
	Металлы	Си, Аq, Аи.	Аl, Pt	Fe, Ni, Co
	Суммарный магнитный момент электронов в атоме	= 0	≠ 0 (мал)	≠ 0 (велик)
	Поведение во внешнем магнитном поле напряжённостью
	Действие на величину внешнего магнитного поля	Чуть ослабляет	Чуть усиливает	Значительно усиливает
5	Магнитная проницательность среды μ	μ = 0,999	μ = 1,001	μ =10^3÷ 10^6
	Магнитная восприимчивость χ = μ – 1	χ = – 0,001	χ = + 0,001	χ = 10^3÷ 10^6
	Зависимость намагниченности среды Ј от напряжённости внешнего магнитного поля
	Особенности поведения	–	–	а) при Т ≥ Тк становится парамагнетиком б) при перемагничивании меняет линейные размеры

РАЗДЕЛ 7. ОПТИКА

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Грабовский Р.Н. Курс физики: учеб. пособие / Р.Н. Грабовский. – СПб.: Лань, 2002. – 608 с.

2. Грибов Л.А. Основы физики / Л.А. Грибов. – М.: Высш. шк., 1992. – 430 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2003. – 544 с.

4. Трофимова Т.И. Справочник по физике: для студентов и абитуриентов
/ Т.И. Трофимова. – М.: Астрель. 2005 – 399 с.

5. Трофимова Т.И. Физика. Законы, формулы, определения / Т.И. Трофимова. – М.: Дрофа, 2004. – 304 с.

6. Шаталов В.Ф. Педагогическая проза / В.Ф. Шаталов. – М., 1980.

 

 

 

План 2012 г.

 

 

Учебное издание

 

 

Прудникова Ирина Анатольевна

Кошкарова Татьяна Витальевна

Тихомиров Илья Викторович

Пискунова Наталья Ивановна

 

 

ФИЗИКА

БЛОК-СХЕМЫ, ТАБЛИЦЫ И ДИАГРАММЫ

 

 

Учебное пособие

 

Редактор Г.А. Горбунова

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО профессионального ОБРАЗОВАНИЯ

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ П.А. СТОЛЫПИНА»

(ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. СТОЛЫПИНА)

ФИЗИКА

Омск

Им. П.А. Столыпина

2012

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.................................................................................................. 5

Введение......................................................................................................... 6

Раздел 1. Повторим математику................................................................... 7

1.1. Тригонометрия................................................................................ 7

1.2. Действия с векторами...................................................................... 7

1.3. Построение графиков степенных функций.................................... 8

1.4. Дифференцирование и интегрирование математических функций........... 9

Раздел 2. Предмет физики............................................................................. 10

2.1. Явления, изучаемые физикой......................................................... 10

2.2. Место и роль физики в системе других наук (дисциплин)............ 10

2.3. Виды материи и движения.............................................................. 11

2.4. Единицы измерения основных и дополнительных физических величин в системе «СИ»..................................................................................................... 12

2.5. Множители и приставки кратных и дольных единиц................... 12

Раздел 3. Механика....................................................................................... 12

3.1. Виды механики................................................................................ 12

3.2. Система отсчёта............................................................................... 13

3.3. Физические модели......................................................................... 13

3.4. Способы задания движения. Уравнение движения....................... 14

3.5. Общий случай криволинейного движения.................................... 14

3.6. Прямая задача кинематики для поступательного и вращательного движения. Аналогия формул.......................................................................................... 15

3.7. Обратная задача кинематики для поступательного и вращательного движения. Аналогия формул.................................................................................. 16

3.8. Графики зависимости параметров поступательного и вращательного движения от времени............................................................................................... 17

3.9. Аналогия формул динамики для поступательного и вращательного движения.................................................................................................................. 18

3.10. Виды сил в механике и потенциальная энергия тел для разных видов взаимодействия..................................................................................................... 19

Раздел 4. Молекулярная физика. Термодинамика...................................... 21

4.1. Свойства агрегатных состояний вещества..................................... 21

4.2. Расчёт основных параметров газа................................................. 22

4.3. Информация о газовых процессах................................................. 23

4.4. Сравнение двух методов исследования......................................... 25

4.5. Число степеней свободы тел и молекул с учётом поступательного и вращательного движения......................................................................................... 26

4.6. Сравнение разных видов энергии идеального газа...................... 27

4.7. Сравнение прямого и обратного кругового газового процесса.. 27

4.8. Сравнение первого и второго начала термодинамики................. 28

4.9. Сравнение коэффициентов полезного действия циклов................ 29

Раздел 5. Электростатика и постоянный электрический ток....................... 30

5.1. Электрический заряд – источник тока........................................... 30

5.2. Пробный заряд – индикатор поля................................................. 30

5.3. Заряд электрона – наименьший в природе................................... 30

5.4. Сила Кулона – мера взаимодействия электрических зарядов...... 31

5.5. Сравнение силовых и энергетических характеристик электростатического поля................................................................................................................ 31

5.6. Графическое изображение электростатических полей.................. 32

5.7. Сравнение силовых параметров гравитационных, электростатических и магнитных полей........................................................................................... 33

5.8. Два вида соединений элементов цепей переменного тока............. 34

5.9. Аналогия параметров конденсатора и катушки как элементов электрических цепей............................................................................................................... 35

5.10. Сравнение двух типов источников магнитных полей................. 36

5.11. Аналогия формул для расчёта работы........................................ 38

5.12. Три вида магнетиков..................................................................... 39

5.13. Сравнение принципа устройства электродвигателя и электрогенератора........................................................................................................................ 40

5.14. Три траектории движения электрического заряда в магнитном поле..... 41

Раздел 6. Колебания..................................................................................... 42

6.1. Модель колебательного движения – проекция вращательного движения на плоскость........................................................................................................ 42

6.2. Аналогия параметров вращательного и колебательного движения........... 42

6.3. Аналогия формул кинематики поступательного движения и механических колебаний материальной точки с описанием электромагнитных колебаний в контуре (Условия осуществления колебаний)............................................................ 43

6.4. Сравнение механических колебаний пружинного и математического маятников с электромагнитными колебаниями в контуре...................................... 45

6.5. Расчёт частоты и периода незатухающих колебаний для пружинного, физического, математического маятников и колебательного контура........................................ 47

6.6. Сравнение незатухающих и затухающих механических и электромагнитных колебаний....................................................................................................... 49

6.7. Сравнение свободных и вынужденных электромагнитных колебаний..... 51

6.8. Сравнение трёх элементов цепей переменного тока..................... 53

6.9. Последовательное и параллельное соединение элементов в цепях переменного тока............................................................................................................ 54

6.10. Три метода задания и сложения гармонических колебаний....... 55

Раздел 7. Оптика........................................................................................... 57

7.1. Теории физической природы световых явлений........................... 57

7.2. Законы геометрической оптики...................................................... 58

7.3. Ход лучей в зеркале и в призме..................................................... 59

7.4. Сравнение свойств двояковыпуклых и двояковогнутых тонких линз....... 59