Законы сохранения в механике
Ф И З И К А
Учебно-методическое пособие
для студентов МИДО
МЕХАНИКА, СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
И ТЕРМОДИНАМИКА.
Контрольные задания и учебные материалы
Минск 2010
УДК 530.1(075.8)
ББК 22.3я7
Б1
Бояршинова О.А.
Б1 Физика: Учебно-методическое пособие для студентов МИДО.
Механика, статистическая физика и термодинамика: Контрольные задания и учебные материалы / О.А. Бояршинова.– Минск:БНТУ, 2010.
Учебно-методическое пособие содержит учебные материалы, задания контрольной работы и задачи для самостоятельной подготовки студентов по курсу «Механика, статистическая физика и термодинамика». Приведена рабочая программа по соответствующим разделам физики, сформулированы методические указания по выполнению и оформлению контрольных работ.
УДК 530.1(075.8)
ББК 22.3я7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебно-методическое пособие представляет собой комплекс учебных материалов, необходимых для успешного освоения физики студентами технического ВУЗа дистанционной формы обучения. В пособии представлена часть рабочей программы, которая содержит вопросы, изучаемые в первом семестре обучения физике; требования к оформлению контрольной работы, предусмотренной учебным планом; задачи, включенные в контрольную работу, а также ряд задач для самоподготовки студентами. Все задачи пособия разбиты на тематические блоки, которые сопровождаются краткими теоретическими сведениями, достаточными для того, чтобы студенты смогли самостоятельно решать задачи своего варианта.
Задачи, включенные в контрольную работу, разбиты на десять вариантов, в каждом варианте восемь задач. Номер варианта, который должен выполнить студент совпадает с последней цифрой номера зачетной книжки студента. Задачи контрольной работы составлены таким образом, чтобы охватить максимальное количество вопросов, изучаемых в данном курсе физики. Задачи, не включенные в контрольную работу, а также задачи других вариантов дополняют друг друга и будут способствовать более глубокому пониманию изучаемых явлений и законов, а также развитию логического мышления.
Рабочая программа курса физики
Механика
Физические основы механики
Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Современные компьютерные технологии и применение компьютерного моделирования в изучение физики. Задачи курса физики. Общая структура курса. Системы единиц физических величин.
Предмет механики. Пространство и время в классической механике. Нерелятивистская и релятивистская механика. Квантовая и классическая механика.
Кинематика, динамика, статика. Материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело, сплошная среда. Число степеней свободы механической системы.
Кинематика
Система отсчета. Кинематика материальной точки. Перемещение, путь, траектория. Скорость и ускорение. Вычисление пройденного пути. Тангенциальное и нормальное ускорение. Поступательное движение твердого тела.
Кинематика вращательного движения твердого тела. Угловая скорость и угловое ускорение. Связь между угловыми и линейными кинематическими характеристиками.
Динамика материальной точки
Основная задача динамики. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Масса, сила, импульс. Второй закон Ньютона. Импульс силы. Третий закон Ньютона. Инвариантность уравнений движения относительно преобразований Галилея. Силы трения. Упругие силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести и вес. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции. Второй закон Ньютона для неинерциальных систем отсчета.
Законы сохранения в механике
Внутренние и внешние силы. Импульс системы. Закон сохранения импульса. Центр инерции (центр масс) механической системы. Уравнение движения центра инерции. Реактивное движение. Уравнение движения тела переменной массы. Энергия, работа и мощность. Коэффициент полезного действия. Кинетическая энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия частицы в силовом поле. Механическая энергия системы. Закон сохранения механической энергии. Закон сохранения полной энергии системы. Законы сохранения и свойства симметрии пространства-времени. Удар абсолютно упругих и неупругих твердых тел.
Динамика твердого тела
Момент инерции материальной точки и твердого тела относительно неподвижной оси. Главные оси и главные моменты инерции твердого тела. Моменты инерции некоторых тел регулярной формы. Теорема Штейнера. Момент силы относительно точки и оси. Уравнение движения твердого тела, вращающегося относительно неподвижной оси. Момент импульса относительно точки и относительно оси. Закон сохранения момента импульса и его связь со свойством изотропности пространства. Кинетическая энергия вращения твердого тела. Работа и мощность внешних сил при вращении твердого тела. Свободные оси. Гироскоп.
Механика сплошных сред
Общие свойства жидкостей и газов. Идеальная жидкость. Кинематическое описание движения жидкости. Уравнение неразрывности и уравнение Бернулли. Вязкость. Силы внутреннего трения. Динамический и кинематический коэффициент вязкости. Ламинарное и турбулентное течение жидкостей. Метод Стокса и метод Пуазейля определения коэффициента вязкости. Движение тел в жидкостях и газах.
Механические колебания
Общие сведения о колебаниях. Механические гармонические колебания и их характеристики: амплитуда, фаза, период, круговая частота, начальная фаза, скорость и ускорение при механических колебаниях. Энергия гармонических колебаний. Дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний. Гармонический осциллятор. Энергия гармонического осциллятора. Пружинный, физический и математический маятники. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Понятие о представлении сложных периодических колебаний в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим колебаниям. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний и его решение. Коэффициент затухания, декремент затухания, логарифмический декремент затухания, добротность. Апериодический процесс. Автоколебания. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его общее решение. Установившиеся вынужденные колебания. Резонанс. Резонансные кривые. Понятие об ангармонических колебаниях.
Упругие волны
Волновые процессы. Механизм образования волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Плоские, цилиндрические и сферические волны. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах. Уравнение плоской волны. Длина волны, волновое число, фаза плоской волны. Фронт волны и волновая поверхность. Фазовая скорость. Волновое уравнение. Суперпозиция волн. Групповая скорость. Волновой пакет. Энергия упругой волны. Плотность потока энергии. Вектор Умова. Когерентность волн. Интерференция волн. Стоячие волны. Уравнение стоячей волны и его анализ. Звуковые волны. Характеристики звука. Эффект Доплера в акустике. Применение ультразвука.