книги / Физика
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.С. Кирчанов
ФИЗИКА.
ЛЕКЦИИ. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ.
ЗАДАЧИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2019
УДК 530.1 ББК 22.31 К43
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Демин (Пермский государственный национальный исследовательский университет);
канд. техн. наук, доцент В.С. Постников (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Кирчанов, В.С.
К43 Физика. Лекции. Лабораторный практикум. Задачи : учебно-методическое пособие / В.С. Кирчанов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. – 357 с.
ISBN 978-5-398-02175-2
Пособие написано на основе лекций по дисциплине «Физика», которые автор читает на протяжении ряда лет на факультете прикладной математики и механики для иностранных студентов – бакалавров технических специальностей. Изложен основной теоретический материал, описание лабораторных работ, список ключевых формул, задачи по основным разделам, с примерами решения задач, приведен список вопросов для экзамена и зачета. Представлена вся необходимая информация для самостоятельного изучения курса общей физики.
Рекомендовано иностранным студентам – бакалаврам технических специальностей.
УДК 530.1
ISBN 978-5-398-02175-2 |
©ПНИПУ,2019 |
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ |
5 |
РАЗДЕЛ 1. МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА..................... |
7 |
Лекция 1. Кинематика ............................................................................... |
8 |
Лекция 2. Динамика .................................................................................. |
14 |
Лекция 3. Динамика вращательного движения ...................................... |
21 |
Лекция 4. Энергия ..................................................................................... |
28 |
Лекция 5. Гидромеханика ........................................................................ |
37 |
Лекция 6. Колебания ................................................................................ |
42 |
Лекция 7. Сложение колебаний ............................................................... |
46 |
Лекция 8. Волны ....................................................................................... |
52 |
Лекция 9. Молекулярная физика ............................................................. |
58 |
Лекция 10. Явления переноса. Термодинамика ..................................... |
62 |
Лекция 11. Второй закон термодинамики .............................................. |
67 |
Лекция 12. Основы специальной теории относительности................... |
75 |
РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.................................. |
81 |
Лекция 13. Электростатика ...................................................................... |
81 |
Лекция 14. Диэлектрики в электрическом поле ..................................... |
88 |
Лекция 15. Проводники в электрическом поле ...................................... |
93 |
Лекция 16. Постоянный электрический ток ........................................... |
97 |
Лекция 17. Магнитное поле в вакууме ................................................. |
108 |
Лекция 18. Электромагнитная индукция .............................................. |
115 |
Лекция 19. Магнитное поле в веществе ................................................ |
119 |
Лекция 20. Электромагнитные колебания ............................................ |
124 |
Лекция 21. Система уравнений Максвелла .......................................... |
127 |
Лекция 22. Электромагнитные волны ................................................... |
132 |
РАЗДЕЛ 3. ОПТИКА. АТОМНАЯ ФИЗИКА. |
|
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА ЧАСТИЦ............................................ |
138 |
Лекция 23. Оптика. Интерференция ..................................................... |
138 |
Лекция 24. Дифракция ........................................................................... |
144 |
Лекция 25. Поляризация ........................................................................ |
150 |
Лекция 26. Квантовая оптика ............................................................... |
155 |
Лекция 27. Атомная физика................................................................... |
161 |
Лекция 28. Физика твёрдого тела .......................................................... |
174 |
Лекция 29. Ядерная физика ................................................................... |
181 |
3
Лекция 30. Физика элементарных частиц ............................................ |
198 |
Лекция 31. Фундаментальные взаимодействия .................................... |
212 |
Лекция 32. Космология – наука о Вселенной в целом......................... |
227 |
РАЗДЕЛ 4. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ............ |
234 |
РАЗДЕЛ 5. ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ........................................................ |
281 |
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ |
|
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА»........................................................... |
303 |
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЕТУ |
|
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА»........................................................... |
307 |
СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ............................................................. |
312 |
ФОРМУЛЫ ФИЗИКИ............................................................................. |
313 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................... |
252 |
ГРЕЧЕСКИЙ, РУССКИЙ, АНГЛИЙСКИЙ, |
|
АРАБСКИЙ АЛФАВИТ......................................................................... |
353 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................... |
356 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Понятие физики
Физика – наука, изучающая общие простейшие явления природы, свойства и строение материи, законы её движения.
Физика – лидер естествознания. Понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания. Слово «физика» – греческое, physis – природа (mathema – знание).
Физика – экспериментальная наука: её принципы, законы и категории базируются на фактах, установленных опытным путём. В физике нет неизмеряемых величин.
Принцип – основное исходное положение науки. Принцип причинности: событие-причина предшествует во времени собы- тию-следствию. Этот принцип всегда выполняется и исключает влияние данного события на все прошлые события.
Законы физики – количественные соотношения. Они формулируются на математическом языке и всегда имеют ограниченную область применения.
Категории – основные понятия физики: пространство, время, энергия, импульс, энтропия, частица, волна, атом.
Методы физики
Опыт – действие (или наблюдение), производимое над природой с целью обнаружения новых фактов.
Гипотеза – предположение. На основе ряда фактов делается предположение о существовании объекта, связи или причины явления.
Эксперимент – исследование явления природы с помощью активного воздействия на него путём создания условий, в которых это явление наблюдается и регистрируется. Основное требование – чистота эксперимента, т.е. устранение и учёт всех других мешающих явлений и факторов.
5
Теория – система обобщенного знания об области природы. Физическая теория содержит формальные исчисления (математические уравнения, логические символы и правила) и содержательную интерпретацию (понятия, законы, принципы).
Абсолютно все технические устройства работают на основе физических законов и явлений. Поэтому знание физики необходимо инженерам и конструкторам для понимания технологии и техники, которые они создают и эксплуатируют. Эксплуатация техники в режимах с попыткой нарушить физический закон, лежащий в основе работы технического устройства, например с целью извлечения максимальной прибыли, приводит к катастрофическим последствиям.
6
РАЗДЕЛ 1. МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Механика – часть физики. Это наука о механическом движении тел и взаимодействии между телами.
Тело – макроскопическая система, состоящая из большого числа, N 1023, молекул или атомов. Размер тела много больше размера расстояния между молекулами.
Механическое движение – изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве.
Существует три основных типа механического движения:
1)при поступательном движении тело перемещается параллельно самому себе в пространстве;
2)при вращательном движении хотя бы одна точка тела остается неподвижной;
3)при колебательном движении тело периодически проходит положение равновесия.
Физические модели реальных тел
Материальная точка (частица) – тело, размеры и форма которого несущественны в данной задаче.
Абсолютно твёрдое тело – тело, расстояние между двумя любыми точками которого всегда неизменно.
Сплошная изменяемая среда (континуум) – твёрдое тело,
жидкость, газ, плазма рассматриваются как непрерывное множество, элементы которого не имеют структуры. Пример: кристалл, вода, нефть, плазма (огонь).
Классическая механика состоит:
–из статики – учения о неподвижном и подвижном равновесии тел под действием сил (дом, корабль);
–кинематики – учения о геометрических свойствах движения тел;
–динамики – учения о движении тел под действием сил.
7
Измерение физических величин
В учебном пособии используется международная Система интернациональная СИ (SI) для измерения физических величин, состоящая из следующих основных единиц:
Длина |
|
Метр |
Время |
|
Секунда |
Масса |
|
Килограмм |
Термодинамическая температура |
|
Кельвин |
Количество вещества |
|
Моль |
Сила тока |
|
Ампер |
Сила света |
|
Кандела |
Дополнительные |
единицы |
|
Плоский угол |
|
Радиан |
Телесный угол |
|
Стерадиан |
ЛЕКЦИЯ 1.КИНЕМАТИКА
Система отсчёта – тело, по отношению к которому рассматривается движение исследуемого тела.
Система отсчёта = Система координат + Часы.
Движение тела задано полностью, если указан закон изменения пространственных координат тела от времени в системе отсчёта.
Например, декартовых прямоугольных координат: x x t ,y y t ,z z t .
Эти три уравнения эквивалентны одному векторному урав-
нению |
|
|
|
|
|
||
|
|
r |
|
|
|||
|
|
|
r t xi |
yj |
zk (радиус-вектор); |
||
r |
|
r |
|
|
x2 y2 |
z2 |
(модуль радиус-вектора). |
|
|
Радиус-вектор соединяет начало координат в т. О с движущейся частицей в т. М (рис. 1.1).
8
Рис. 1.1. Радиус-вектор
Траектория – линия, которую описывает точка, движущаяся в пространстве.
Длина пути – сумма длин всех участков траектории, проходимых точкой за время от t0 t 0 до t,
s |
t |
vx2 vy2 vz2dt . |
|
t0 |
|
Скорость– первая производная радиус-вектора по времени:
|
|
|
|
dr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
v |
|
|
|
|
r |
xi |
yj |
zk |
vx i |
vy j |
vz k , |
||||||||
dt |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
v |
|
v |
|
|
vx |
2 vy |
2 vz |
2 |
(модуль скорости). |
||||||||||
|
|
Размерность скорости [v] м/с.
Ускорение – быстрота изменения скорости, производная скорости по времени:
w dv v vxi vy j vz k , dt
w w wx2 wy 2 wz 2 (модуль ускорения).
Вектор ускорения всегда направлен в сторону вогнутости траектории.
9
Число степеней свободы i системы – число независимых величин, необходимых для однозначного определения положения системы.
Тело,движущеесяпооднойоси,имеетоднустепеньсвободы.
Пример 1. Равномерное движение – движение с постоян-
ной скоростью
|
const, |
|
|
v |
r |
vt, |
размерность скорости v м/с, 10 м/с = 36 км/ч.
Равнопеременное движение – движение с постоянным ус-
корением
w const.
Для движения по оси x:
vx v0x wxt (скорость), s v0xt w2xt2 (путь),
размерность ускорения w м/с2.
Ускорение свободного падения всех тел на поверхности Земли не зависит от массы тел, g 9,81м/с2.
Движение тела по криволинейной траектории
Вектор полного ускорения w при движении тела по криволинейной траектории равно векторной сумме тангенциального ускорения w и нормального ускорения wn :
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
w wn w |
wnn |
w , |
|
|||||||
где |
|
|
|
1 – модули единичных векторов. |
|
|||||||||
n |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
v2 |
2 |
dv 2 |
|||
|
|
|
|
w wn |
|
w |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
dt |
|
10