ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. Министерство науки и образования РФ

Министерство науки и образования РФ

Псковский государственный политехнический институт

В.В. Однобоков, Т.Н. Михайлусова, Н.И. Волокитина

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

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
Вариант	Номер задач
	1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71 2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72 3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73 4, 14, 24, 34, 44, 54, 64, 74 5, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75 6, 16, 26, 36, 46, 56, 66, 76 7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78 9, 19, 29, 39, 49, 59, 69, 79 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80

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