Українська інженерно-педагогічна академія

КАФЕДРА ЗАГАЛЬНОЇ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ ФІЗИКИ

 

Рудакова Г.О.

 

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ТА КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ

З ФІЗИКИ

НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ЗАОЧНОЇ ФОРМИ НАВЧАННЯ

ВСІХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

 

Харків 201 1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКА ІНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГІЧНА АКАДЕМІЯ

КАФЕДРА ЗАГАЛЬНОЇ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ ФІЗИКИ

 

Рудакова Г.О.

 

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ТА КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ

З ФІЗИКИ

НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ЗАОЧНОЇ ФОРМИ НАВЧАННЯ

ВСІХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

Рекомендовано Науково-методичною   

Радою Української інженерно -               

педагогічної академії, протокол № 8      

від 19 квітня  2011 р.                                 

Харків 2011

УДК 531:534 (076.5)

ББК 22.3

 

 

     Рудакова Г.О.

Методичні вказівки та контрольні завдання з фізики для студентів заочної форми навчання: Навчально-методичний посібник. –Харків: УІПА, 2011. –148 с.

 

У навчальному посібнику, який призначений для студентів заочної форми навчання інженерних та інженерно-педагогічних спеціальностей, наведена робоча програма з фізики, стисло викладено матеріал за всіма розділами дисципліни, наведено приклади розв’язку задач та варіанти контрольних робіт.

 

Рецензент

 

Хохлов В.І. – канд. фіз.-мат. наук, доцент, доцент кафедри загальної та експериментальної фізики Української інженерно-педагогічної академії

 

 

ББК 22.3

 

 

© Г.О. Рудакова, 2011       

© УІПА, 2011           

ПЕРЕДМОВА

 

Фізика – наука про природу, про будову, властивості і взаємодію складових її матеріальних тіл і полів. Головна мета цієї науки – виявити і пояснити закони природи, якими визначаються усі фізичні явища. Фізика ґрунтується на експериментально встановлених фактах. Обіймаючи центральне місце серед інших наук у поясненні законів природи, фізика відіграє першорядне значення у формуванні наукового матеріалістичного світогляду.

Основними завданнями курсу фізики у вузах є

1. Створення у студентів основ досить широкої теоретичної підготовки в галузі фізики, що дозволяє майбутнім інженерам орієнтуватися в потоці наукової і технічної інформації, забезпечує їм можливість використання нових фізичних принципів у тих галузях техніки, де вони спеціалізуються.

2. Формування у студентів наукового мислення, зокрема, вірного розуміння межі застосовності різних фізичних понять, законів, теорій і уміння оцінювати ступінь вірогідності результатів, отриманих за допомогою експериментальних або математичних методів дослідження.

3. Засвоєння основних фізичних понять і законів класичної і сучасної фізики, методів фізичного дослідження.

4. Вироблення у студентів прийомів і навичок розв’язку конкретних задач з різних розділів фізики, що допомагають студентам надалі вирішувати інженерні задачі.

5. Ознайомлення студентів із сучасною науковою апаратурою і надбання студентами початкових навичок проведення експериментальних досліджень різних фізичних явищ і оцінки похибок вимірів.

Мета цього навчально-методичного посібника – надання допомоги студентам-заочникам технологічних, інженерно-педагогічних і інженерно-економічних спеціальностей вищих навчальних закладів у вивченні курсу фізики.

У посібнику матеріал курсу фізики розподілено на п’ять контрольних робіт. Перед кожним контрольним завданням даються пояснення до робочої програми, наводяться основні закони і формули, приклади розв’язку задач. Крім того, у посібнику наведено загальні методичні вказівки, робочу програму, зразкову схему розв’язку задач, відомості про наближені обчислення і деякі інші довідкові матеріали.

РОБОЧА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА

КУРСУ ФІЗИКИ

Вступ

 

Предмет фізики. Методи фізичного дослідження: спостереження, гіпотеза, експеримент, теорія. Роль фізики в розвитку техніки і вплив техніки на розвиток фізики. Зв’язок фізики з іншими науками.

 

Фізичні основи класичної механіки

 

Механічний рух як найпростіша форма руху матерії. Ознайомлення з властивостями простору і часу, що лежать в основі класичної (ньютонівської) механіки. Елементи кінематики матеріальної точки. Швидкість і прискорення точки як похідні радіуса-вектора за часом. Нормальне і тангенціальне прискорення. Радіус кривизни траєкторії. Поступальний рух твердого тіла.

Динаміка матеріальної точки і поступального руху твердого тіла. Закон інерції і інерціальні системи відліку. Закони динаміки матеріальної точки і системи матеріальних точок. Зовнішні і внутрішні сили. Центр мас (центр інерції) механічної системи і закон його руху. Закон збереження імпульсу.

Енергія як універсальна міра різних форм руху і взаємодії. Робота змінної сили. Кінетична енергія механічної системи і її зв’язок з роботою зовнішніх і внутрішніх сил, прикладених до системи.

Поле як форма матерії, що здійснює силову взаємодію між частинками речовини. Потенціальна енергія матеріальної точки в зовнішньому силовому полі і її зв’язок із силою, що діє на матеріальну точку. Поняття про градієнт скалярної функції координат. Поле центральних сил. Потенціальна енергія системи. Закон збереження механічної енергії. Дисипація енергії. Закон збереження і перетворення енергії як прояв незнищуваності матерії і її руху. Застосування законів збереження до зіткнення пружних і непружних тіл.

Елементи кінематики обертального руху. Кутова швидкість і кутове прискорення, їхній зв’язок з лінійними швидкостями і прискореннями точок тіла, що обертається. Момент сили і момент імпульсу механічної системи. Момент сили щодо осі. Момент імпульсу тіла щодо нерухомої осі обертання. Момент інерції тіла щодо осі. Рівняння динаміки обертального руху твердого тіла щодо нерухомої осі. Кінетична енергія тіла, що обертається. Закон збереження моменту імпульсу і його зв'язок з ізотропністю простору.

Неінерціальні системи відліку. Сили інерції.

Елементи спеціальної (окремої) теорії відносності

 

Перетворення Галілея. Механічний принцип відносності. Постулати спеціальної теорії відносності. Перетворення Лоренца. Поняття одночасності. Відносність довжин і проміжків часу. Інтервал між подіями і його інваріантість стосовно вибору інерціальної системи відліку як прояв взаємозв’язку простору і часу. Релятивістський закон додавання швидкостей. Релятивістський імпульс. Основний закон релятивістської динаміки матеріальної точки. Релятивістський вираз для кінетичної енергії. Взаємозв’язок маси й енергії. Енергія зв’язку системи. Співвідношення між повною енергією й імпульсом частинки. Межа застосовності класичної (ньютонівської) механіки.

 

Основи молекулярної фізики і термодинаміки

 

Статистичний метод дослідження і його зв’язок з ученням діалектичного матеріалізму про співвідношення випадковості і необхідності. Термодинамічний метод дослідження. Термодинамічні параметри. Рівноважні стани і процеси, їхнє зображення на термодинамічних діаграмах Виведення рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеальних газів для тиску і його порівняння з рівнянням Клапейрона-Менделєєва. Середня кінетична енергія молекул. Молекулярно-кінетичне тлумачення термодинамічної температури. Число ступенів свободи молекули. Закон рівномірного розподілу енергії за ступенями свободи молекул. Внутрішня енергія ідеального газу. Робота газу при зміні його об’єму. Кількість теплоти. Теплоємність. Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки для ізопроцесів і адіабатичного процесу ідеального газу. Залежність теплоємності ідеального газу від виду процесу. Класична молекулярно-кінетична теорія теплоємностей ідеальних газів і її обмеженість.

Закон Максвелла для розподілу молекул ідеального газу за швидкостями і енергіями теплового руху. Барометрична формула. Закон Больцмана для розподілу частинок у зовнішньому потенціальному полі. Середнє число зіткнень і середня довжина вільного пробігу молекул. Час релаксації. Явища переносу в термодинамічно нерівноважних системах. Дослідні закони дифузії, теплопровідності і внутрішнього тертя. Молекулярно-кінетична теорія цих явищ.

Зворотні і незворотні процеси. Круговий процес (цикл). Теплові двигуни і холодильні машини. Цикл Карно і його ККД для ідеального газу. Другий закон термодинаміки. Незалежність ККД циклу Карно від природи робочого тіла. Ентропія. Ентропія ідеального газу. Статистичне тлумачення другого закону термодинаміки. Критика ідеалістичного тлумачення другого закону термодинаміки.

Відхилення від законів ідеальних газів. Реальні гази. Сили і потенціальна енергія міжмолекулярної взаємодії. Ефективний діаметр молекул. Рівняння Ван-дер-Ваальса. Порівняння ізотерм Ван-дер-Ваальса з експериментальними. Фазові переходи I і II роду. Критичний стан. Внутрішня енергія реального газу. Особливості рідкого і твердого станів речовини.

 

Електростатика

 

Закон збереження електричного заряду. Електричне поле. Основні характеристики електростатичного поля – напруженість і потенціал. Напруженість як градієнт потенціалу. Розрахунок електростатичних полів методом суперпозиції. Потік вектора напруженості. Теорема Гаусса для електростатичного поля у вакуумі. Застосування теореми Гаусса до розрахунку полів. Електричне поле у речовині. Вільні і зв’язані заряди в діелектриках. Типи діелектриків. Електронна й орієнтаційна поляризація. Поляризованість. Діелектрична сприйнятливість речовини. Електричне зміщення. Діелектрична проникність середовища. Обчислення напруженості поля в діелектрику. Сегнетоелектрики.

Провідники в електричному полі. Поле всередині провідника та у його поверхні. Розподіл зарядів у провіднику. Електроємність відокремленого провідника. Взаємна ємність двох провідників. Конденсатори. Енергія заряджених провідника, конденсатора і системи провідників. Енергія електростатичного поля. Об’ємна густина енергії.

 

Постійний електричний струм

 

Постійний електричний струм, його характеристики й умови існування. Класична електронна теорія електропровідності металів і її дослідні обґрунтування. Виведення закону Ома в диференціальній формі з електронних уявлень. Закон Відемана-Франца. Закон Ома в інтегральній формі. Різниця потенціалів, електрорушійна сила, напруга. Труднощі класичної теорії електропровідності металів. Межі застосовності закону Ома. Струм у газах Плазма. Робота виходу електронів з металу. Термоелектронна емісія.

 

Електромагнетизм

 

Магнітне поле. Магнітна індукція. Закон Ампера. Магнітне полі струму. Закон Біо-Савара-Лапласа і його застосування при розрахунку магнітного поля. Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом. Магнітне поле колового струму. Магнітний момент витка з струмом. Вихровий характер магнітного поля. Закон повного струму (циркуляція вектора магнітної індукції) для магнітного поля у вакуумі і його застосування до розрахунку магнітного поля тороїда і довгого соленоїда. Дія магнітного поля на заряд, що рухається. Сила Лоренца. Рух заряджених частинок у магнітному полі. Принцип дії циклічних прискорювачів заряджених частинок. Ефект Холла. МГД-генератор. Контур зі струмом у магнітному полі. Магнітний потік. Теорема Гаусса. Робота переміщення провідника і контуру зі струмом у магнітному полі.

Явище електромагнітної індукції (досліди Фарадея). Правило Ленца. Закон електромагнітної індукції і його виведення із закону збереження енергії. Явище самоіндукції. Індуктивність. Струми при замиканні і розмиканні кола. Явище взаємної індукції. Взаємна індуктивність. Енергія системи провідників із струмом. Об’ємна густина енергії магнітного поля.

Магнітне поле у речовині. Магнітні моменти атомів. Типи магнетиків. Намагніченість. Мікро- і макроструми. Елементарна теорія діа- і парамагнетизму. Магнітна сприйнятливість речовини і її залежність від температури. Закон повного струму для магнітного поля у речовині. Напруженість магнітного поля. Магнітна проникність середовища. Феромагнетики. Досліди Столєтова. Крива намагнічування. Магнітний гістерезіс. Точка Кюрі. Домени. Спінова природа феромагнетизму.

Основи теорії Максвела для електромагнітного поля. Струм зміщення. Рівняння Максвела для електромагнітного поля в інтегральній формі.