К решению задач и выполнению домашних контрольных работ для студентов заочной формы обучения

Н.И.Ильиных

ФИЗИКА

Методические указания к самостоятельной работе и индивидуальные задания

по выполнению домашних контрольных работ №№ 1 - 4

для студентов заочной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования и среднего профессионального образования направлений подготовки: 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 230100 «Информатика и вычислительная техника»

Квалификация (степень) выпускника «Бакалавр»

Екатеринбург

ББК 22.3

УДК 53

Рецензент: доцент кафедры ИСиТ, к.ф.-м.н. Кондратьев В.П.

Ильиных Н.И. Физика: Методические указания к самостоятельной работе и индивидуальные задания по выполнению домашних контрольных работ №№ 1-4/ Н.И. Ильиных. - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2013 г. - 56 с.

Методические указания предназначены для студентов технических специальностей заочной формы обучения, изучающих курс физики, содержат программу курса «Физика», методические указания по выполнению домашних контрольных работ, варианты индивидуальных контрольных работ №№1-4 и задачи для самостоятельного решения.

Рекомендовано НМС УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве методических указаний к самостоятельной работе и индивидуальных заданий по выполнению домашних контрольных работ №№ 1 - 4 для студентов заочной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования и среднего профессионального образования направлений подготовки: 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 230100 «Информатика и вычислительная техника».

БК 22.3

УДК 53

Кафедра высшей математики и физики

ã УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………..………………………………...4

Общие методические указания к решению задач

и выполнению домашних контрольных работ

для студентов заочной формы обучения………………………….…...5

Содержание программного материала

для подготовки к экзамену ……………………………………….……7

Варианты заданий для контрольной работы № 1 ………………….…14

Варианты заданий для контрольной работы № 2…………………..…22

Варианты заданий для контрольной работы № 3 ………………….…32

Варианты заданий для контрольной работы № 4…………………..…41

Список литературы ……………………………………………………..48

Приложения ……………………………………………………………..51

ВВЕДЕНИЕ

Особенностью современного подхода к обучению в высшей школе является повышение роли самостоятельной работы студентов в течение семестра при существенном сокращении количества аудиторных занятий. Поэтому основным методом изучения различных дисциплин для студента, обучающегося по заочной форме обучения и не имеющего возможности ежедневно встречаться с преподавателями, является систематическая работа с литературой.

Изучение курса физики для студентов технических специальностей имеет особое значение, поскольку физика лежит в основе всех наук о природе, является фундаментом естествознания. Успехи физики существенно влияют на научно-технический прогресс: фундаментальные законы природы, установленные физикой, постоянно используются в науке и технике. Знание физики будущим инженерам необходимо для формирования научного мировоззрения и научного образа мышления, осознанного изучения общеинженерных и специальных дисциплин, умения видеть естественно - научное содержание проблем, возникающих в практической деятельности специалиста.

Цель данных методических указаний - оказать помощь студенту заочной формы обучения в изучении курса «Физика» и выполнении домашних контрольных работ. При создании методических указаний авторы руководствовались действующей программой курса «Физика».

Методические указания содержат программу курса «Физика», методические указания по выполнению домашней контрольной работы, варианты заданий и задачи для индивидуальных контрольных работ, приложения.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ И ВЫПОЛНЕНИЮ ДОМАШНИХ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

1. За время изучения курса общей физики студент-заочник должен представить в учебное заведение четыре контрольных работы.

2. Номера задач, которые студент должен включить в свою контрольную работу, определяются по таблицам вариантов.

3. Контрольные работы нужно выполнять чернилами в школьной тетради, на обложке указывается фамилия и инициалы студента, номер группы и номер варианта.

4. Условия задач в контрольной работе необходимо переписать полностью без сокращений. Для замечаний преподавателя на страницах тетради нужно оставлять поля.

5. В конце контрольной работы приводится список литературы, использованной при изучении курса физики и выполнении данной контрольной работы (название учебника, автор, год издания). Это делается для того, чтобы рецензент в случае необходимости мог указать, что следует студенту изучить для завершения контрольной работы.

6. Если контрольная работа при рецензировании не зачтена, студент обязан представить ее на повторную рецензию, включив в нее те задачи, при решении которых допущены ошибки.

7. При решении задач необходимо пользоваться следующей схемой:

· Внимательно прочитать условие задачи.

· Выписать столбиком все величины, входящие в условие, и выразить их в одних единицах (преимущественно в Международной системе единиц СИ).

· Если это возможно, представить условие задачи в виде четкого рисунка. Правильно сделанный рисунок – это наполовину решенная задача.

· Уяснить физическую сущность задачи, установить основные законы и формулы, на которых базируется условие задачи.

· Если при решении задачи применяется формула, полученная для частного случая, не выражающая какой-нибудь физический закон или не являющаяся определением какой-нибудь физической величины, то ее следует вывести.

· Решить задачу сначала в общем виде, то есть, в буквенных обозначениях, заданных в условии задачи. При таком способе решения не производятся вычисления промежуточных величин

· После получения расчетной формулы для проверки ее правильности следует подставить в правую часть формулы вместо символов величин их размерности, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица соответствует искомой величине. Если такого соответствия нет, то это означает, что задача решена неверно.

· Подставить в конечную формулу числовые значения, выраженные в единицах СИ. В виде исключения допускается выражать в любых, но одинаковых единицах числовые значения однородных величин, стоящих в числителе и знаменателе дроби и имеющих одинаковые степени.

· При подстановке в расчетную формулу, а также при записи ответа числовые значения величин следует записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей 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. п.

· Вычисления по расчетной формуле надо проводить с соблюдением правил приближенных вычислений. Как правило, окончательный ответ следует записывать с тремя значащими цифрами. Это относится и к случаю, когда результат получен с применением калькулятора.

· Решение задачи должно сопровождаться краткими, но исчерпывающими пояснениями и комментариями.

Содержание программного матерИала

для подготовки к экзамену

Введение

Методы исследования в физике: наблюдение, гипотеза, эксперимент, теория. Методы теории: физическое явление, физическая модель, математическая модель и ее анализ. Физические величины: скалярные и векторные и их роль в описании явлений.

Физические модели: материальная точка, абсолютно твердое тело, сплошная среда. Пространство и время.

1. Механика и основы специальной теории относительности

Кинематика материальной точки. Кинематическое описание движения (системы отсчета, скалярные и векторные величины, перемещение, траектория). Прямолинейное равномерное движение. Прямолинейное неравномерное движение. Скорость. Ускорение. Криволинейное движение и его характеристики. Тангенциальное и нормальное ускорение.

Динамика поступательного движения. Масса и вес тел. Плотность. Сила. Законы Ньютона. Силы и силовые поля, их виды и фундаментальные особенности. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Динамика движения по окружности. Закон всемирного тяготения. Сила тяготения. Гравитационная и инертная масса. Законы Кеплера.

Работа и энергия. Движение частицы в однородном силовом поле. Работа силы в механике. Кинетическая энергия и ее связь с работой силы. Потенциальные (консервативные) силовые поля. Потенциальная энергия частицы и ее связь с силой. Примеры потенциальных энергий. Закон сохранения энергии. Коэффициент полезного действия машин. Абсолютно упругий и абсолютно неупругий удар.

Механика твердого тела. Кинематика системы частиц и твердого тела. Поступательное движение. Вращение вокруг оси и вокруг центра. Кинематические характеристики поступательного и вращательного движения твердого тела. Момент силы, момент импульса относительно точки и относительно оси. Момент инерции относительно оси. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Теорема Штейнера. Работа при вращательном движении. Кинетическая энергия вращательного движения.

Элементы специальной теории относительности (СТО).Элементы релятивистской кинематики материальной точки. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Инварианты преобразований. Опыт Майкельсона. Постулаты теории относительности Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Инварианты преобразований. Относительность одновременности. Релятивистский закон сложения скоростей. Классическая кинематика как предельный случай релятивистской. Основы релятивистской динамики материальной точки. Релятивистский импульс. Зависимость массы от скорости. Полная релятивистская энергия. Релятивистская кинетическая энергия. Взаимосвязь массы и полной энергии. Эквивалентность гравитационной и инертной масс. Соотношение между полной энергией и импульсом частицы. Основные черты классической механики и границы ее применимости.

2. Молекулярная физика и термодинамика

Статистический и термодинамический методы исследования макроскопических систем частиц и их сравнительный анализ.

Микроскопические и макроскопические параметры. Статистический смысл макроскопических параметров. Микро - и макросостояния. Равновесные состояния и процессы. Обратимые и необратимые процессы.

Молекулярная физика, ее задачи Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Атомы и молекулы. Тепловое движение атомов и молекул. Броуновское движение. Температура. Термометры и температурные шкалы. Тепловое равновесие. Основное уравнение кинетической теории газов. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Законы идеального газа. Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Степени свободы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Равновесное распределение молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения (распределение Максвелла). Принцип детального равновесия. Барометрическая формула. Распределение Больцмана для частиц по энергиям в потенциальном силовом поле.

Элементы термодинамики макросистем. Предмет термодинамики. Изолированные системы. Некоторые основные понятия термодинамики: термодинамическая работа, внутренняя энергия, количество теплоты, теплоемкость системы. Различие между температурой, теплотой и внутренней энергией. Уравнение теплового баланса

Первое начало термодинамики. Работа идеального газа при различных процессах. Внутренняя энергия идеального газа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам идеального газа. Энтальпия. Классическая теория теплоемкости идеального газа и ее ограниченность. Адиабатический процесс, уравнение Пуассона.

Обратимые и необратимые процессы. Циклический процесс. Тепловые двигатели. К.п.д. тепловых двигателей. Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Энтропия. Третье начало термодинамики (теорема Нернста).

Явления переноса.Диффузия. Теплопроводность. Внутреннее трение.

3. Электричество и магнетизм

Электростатика. Электрический заряд и его свойства. Электрическое поле. Напряженность и потенциал поля. Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Гаусса к расчету полей.

Потенциал электростатического поля и его связь с напряженностью. Уравнение Пуассона. Работа по перемещению заряда в электростатическом поле. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля.

Электростатическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды. Диполь. Поле диполя. Поведение диполя во внешнем поле. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Диэлектрическая восприимчивость и ее зависимость от температуры. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектриках, электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Условия для векторов D и E на границе двух диэлектрических сред.

Проводники в электрическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора. Энергия системы точечных зарядов. Энергия заряженного уединенного проводника. Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля.

Постоянный электрический ток, его условия существования. Уравнение непрерывности. Законы Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Классическая электронная теория электропроводности. Вывод законов Ома, Джоуля-Ленца, Видемана- Франца из электронных представлений. Затруднения классической теории электропроводности металлов. Правила Кирхгоффа как следствие законов сохранения заряда и энергии. Применение правил Кирхгоффа к расчету электрических цепей постоянного тока.

Электромагнетизм. Магнитное поле и его характеристики. Закон Био - Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитного поля токов простейших конфигураций. Магнитный поток. Теорема Гаусса для индукции магнитного поля в интегральной и дифференциальной формах. Теорема о циркуляции вектора B. Применение теоремы о циркуляции к расчету магнитного поля токов. Поля соленоида и тороида.

Движение заряженной частицы в стационарном магнитном поле. Сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле (сила Лоренца). Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (сила Ампера). Контур с током в однородном и неоднородном магнитных полях.

Магнитное поле в веществе. Намагничивание вещества, магнитная восприимчивость. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Поток и циркуляция вектора напряженности магнитного поля. Условия для векторов B и H на границе двух магнетиков. Основные уравнения магнитостатики в интегральной и дифференциальной формах.

Природа макроскопических круговых токов. Магнитомеханические явления. Опыты Эйнштейна и де Хааса. Опыт Барнетта. Опыты Штерна и Герлаха. Орбитальные и спиновые магнитные моменты. Магнитные моменты электронов атомов. Объяснение диа- и парамагнетизма.

Ферромагнетизм. Основная кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Домены. Точка Кюри. Спиновая природа ферромагнетизма. Антиферромагнетики.

Электромагнитное поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для ЭДС индукции. Вихревое электрическое поле. Бетатрон. Явление самоиндукции, индуктивность соленоида. Энергия магнитного поля проводника с током. Плотность энергии магнитного поля.

Уравнения Максвелла. Ток смещения. Система уравнений Максвелла как обобщение экспериментальных законов Кулона, Био - Савара - Лапласа, Фарадея. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Материальные уравнения. Закон сохранения энергии электромагнитного поля. Поток энергии. Вектор Умова - Пойнтинга.

Колебания и волны

Механические колебания. Общие сведения о колебаниях. Характеристики колебаний: амплитуда, фаза, частота, период. Свободные незатухающие колебания. Энергия гармонических колебаний. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний и его решение. Смещение, скорость и ускорение материальной точки при гармонических колебаниях и их графики. Гармонический осциллятор. Математический и физический маятники, колебательный контур.

Графическое изображение гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одной частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Уравнение траектории движущейся точки. Фигуры Лиссажу.

Затухающие механические колебания. Дифференциальное уравнение и его решение. Характеристики затухающих колебаний: коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания, добротность, время релаксации. Энергия затухающих колебаний.

Вынужденные механические колебания. Дифференциальное уравнение и его решение. Явление резонанса. Амплитудные и фазовые резонансные кривые.

Электромагнитные колебания. Идеальный колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Дифференциальное уравнение и его решение для заряда и тока. Зависимость частоты и периода колебаний от параметров контура. Сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения. Энергия колебательного контура. Взаимное превращение полей и энергий при колебаниях в контуре.

Затухающие электромагнитные колебания. Дифференциальное уравнение и его решение. Характеристики затухающих электромагнитных колебаний. Открытый колебательный контур.

Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток. Цепь переменного тока. Закон Ома. Мощность переменного тока. Резонанс токов и напряжений.

Волновые процессы. Распространение колебаний в упругой среде (волновое движение). Уравнения плоской и сферической волн. Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении. Волновое уравнение и его решение. Продольные и поперечные волны. Волновая поверхность, фронт волны, скорость распространения волн, длина волны, волновой вектор. Энергия бегущих волн. Вектор Умова. Стоячие волны. Эффект Доплера.

Звуковые волны. Скорость звуковых волн в газах. Шкала уровней звука. Интенсивность и громкость звука. Эффект Доплера в акустике. Ультразвук и его применение.

Электромагнитные волны. Генерация электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Электромагнитные волны и уравнения Максвелла. Скорость распространения электромагнитных волн. Перенос энергии электромагнитными волнами. Вектор Умова - Пойнтинга. Давление электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Принцип суперпозиции волн. Групповая скорость. Когерентность. Интерференция и дифракция волн Волновой пакет. Дисперсия. Отражение и преломление волн.