Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
__________________
С. Н. Крохин
Краткий курс механики
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве программы и методических указаний по изучению курса «Физика»
для студентов заочной формы обучения
УДК 530.1(075.8)
Краткий курс механики : Программа и методические указания по изучению курса «Физика» / С. Н. Крохин; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 25 с.
Методические указания содержат рабочую программу раздела «Механика» дисциплины «Физика» и краткое теоретическое изложение основныхвопросов этого раздела.
Приведены определения физических величин, их единицы измерения в системе СИ, законы классической механики.
предназначены для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения.
Библиогр.: 4 назв. Рис. 7.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. А. Нехаев;
канд. физ.-мат. наук, доцент В. И. Струнин.
________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2006
О Г Л А В Л Е Н И Е
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Рабочая программа дисциплины «Физика». Механика. . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Кинематика и динамика материальной точки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. Кинематика и динамика вращения твердого тела вокруг
неподвижной оси. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
4. Законы сохранения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Введение
Механика – раздел физики, изучающий закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение есть во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Эти формы движения изучаются другими науками (химией, биологией и др.).
В основных учебных пособиях вопросы по изучению механического движения излагаются подробно, зачастую с громоздкими математическими выкладками, что существенно затрудняет самостоятельную работу студентов.
В методических указаниях даны рабочая программа раздела «Механика», определения физических понятий, кратко излагаются основные физические законы и закономерности классической механики, приводится запись этих законов в математической форме.
В разделе «Механика» рассматриваются кинематика и динамика материальной точки, кинематика и динамика вращения твердого тела вокруг неподвижной оси и законы сохранения.
Для изучения раздела «Механика» необходимы знания из математики: элементов векторной алгебры (проекция вектора на ось, скалярное и векторное произведение и т. п.), дифференциального и интегрального исчисления (вычисление простейших производных и нахождение первообразных).
В методических указаниях из-за ограничений по объему издания не отражен экспериментальных материал.
Данные методические указания помогут студентам в самостоятельном изучении курса механики в период экзаменационной сессии.
1. Рабочая программа дисциплины «физика»
МЕХАНИКА
1. Относительность механического движения. Система отсчета. Материальная точка (частица). Радиус-вектор. Траектория. Путь и перемещение. Скорость и ускорение.
2. Прямолинейное и криволинейное движение частицы. Касательное (тангенциальное) и нормальное ускорение.
3. Инерция. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Сложение скоростей и принцип относительности в классической механике.
4. Взаимодействие тел. Сила. Инертность. Масса, плотность. Второй и третий законы Ньютона.
5. Силы в механике: гравитационная, тяжести, упругости, вес, выталкивающая, трения (покоя, скольжения, качения, вязкое).
6. Движение тела в поле силы тяжести. Свободное падение. Движение тела под действием нескольких сил. Равнодействующая.
7. Абсолютно твердое тело (АТТ). Центр инерции (центр масс) АТТ и закон его движения. Поступательное и вращательное движение АТТ. Система центра инерции.
8. Угловое перемещение, угловая скорость и угловое ускорение. Связь между кинематическими характеристиками поступательного и вращательного движения.
9. Момент силы. Момент инерции. Теорема Штейнера. Основное уравнение динамики вращательного движения.
10. Изолированная система. Импульс (количество движения) тела. Закон сохранения импульса.
11. Момент импульса (момент количества движения). Собственный момент импульса. Закон сохранения момента импульса.
12. Механическая работа, мощность. Работа постоянной и переменной силы. Работа момента сил при вращательном движении.
13. Кинетическая энергия. Консервативные силы. Потенциальная энергия. Полная механическая энергия. Закон сохранения энергии в механике. Диссипация энергии. Общефизический закон сохранения энергии.
14. Абсолютно упругое и абсолютно неупругое столкновение частиц.
15. Простые механизмы: наклонная плоскость, блок, рычаг. «Золотое правило» механики. КПД механизма.
Министерство образования и науки Украины
Одесская национальная морская академия
В.И.Михайленко
КРАТКИЙ КУРС ФИЗИКИ
(учебное пособие для студентов вузов)
Одесса – 2004
УДК 536.075
В.И.Михайленко.Краткий курс физики. Учебное пособие для студенетов вузов. Часть 1. Одесса, ОНМА, 2004г.
Учебное пособие по физике разработан доктором физико-математических наук, профессором В,И. Михайленко в соответствии с приказом ректора ОГМА №248 от 7 октября 1997 г. «про методичне забезпечення...» и предназначен для студентов вузов.
Учебное пособие по физике обсуждено на заседании кафедры физики и химии ОНМА, протокол №__2__от__17ноября_2004 г. и учёным советом факультета автоматики ОНМА, протокол №_______от ____________2004г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель настоящего учебного пособия - оказать помощь студентам в изучении курса физики.
В первой части пособия кратко изложены такие разделы, как «Механика», «Механические колебания и волны», «Молекулярная физика», «Основы термодинамики», «Электростатика» и «Постоянный электрический ток». При изложении материала особое внимание обращалось на физический смысл величин, трактовку основных физических законов и механизм протекания тех или иных явлений. Автор стремился по возможности избегать сложных математических преобразований, выбирая наиболее простые варианты вывода основных формул и законов физики.
ВВЕДЕНИЕ.. 4
I. МЕХАНИКА.. 4
1. Кинематика материальной точки. 4
1.1. Основные понятия кинематики. 4
1.2. Нормальное и касательное ускорения. 4
1.3. Движение точки по окружности. Угловые скорость и ускорение. 4
2. Динамика поступательного движения. 4
2.1. Законы Ньютона. 4
2.2. Закон сохранения импульса. 4
3. Работа и энергия. 4
3.1. Работа. 4
3.2. Связь между работой и изменением кинетической энергии. 4
3.3. Связь между работой и изменением потенциальной энергии. 4
3.4. Закон сохранения механической энергии. 4
3.5. Соударения. 4
4. Вращательное движение твёрдого тела. 4
4.1. Кинетическая энергия вращательного движения. Момент инерции. 4
4.2. Основной закон динамики вращательного движения. 4
4.3. Закон сохранения момента импульса. 4
4.4. Гироскоп. 4
II. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ... 4
5. Общая характеристика колебательных процессов. Гармонические колебания. 4
6. Колебания пружинного маятника. 4
7. Энергия гармонического колебания. 4
8. Сложение гармонических колебаний одинакового направления. 4
9. Затухающие колебания. 4
10. Вынужденные колебания. 4
11. Упругие (механические) волны.. 4
12. Интерференция волн. 4
13. Стоячие волны.. 4
14. Эффект Допплера в акустике. 4
III. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.. 4
15. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. 4
16. Распределение молекул по скоростям.. 4
17. Барометрическая формула. 4
18. Распределение Больцмана. 4
ІV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ.. 4
19. Основные понятия термодинамики. 4
20. Первое начало термодинамики и его применение к изопроцессам.. 4
21. Число степеней свободы. Внутренняя энергия идеального газа. 4
22. Классическая теория теплоёмкости газов. 4
23. Адиабатный процесс. 4
24. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы). Принцип действия тепловой машины.. 4
25. Идеальная тепловая машина Карно. 4
26. Второе начало термодинамики. 4
27. Энтропия. 4
V. ЭЛЕКТРОСТАТИКА.. 4
28. Дискретность электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда. 4
29. Закон Кулона. Напряжённость электростатического поля.
Вектор электрического смещения. 4
30. Силовые линии. Поток вектора . Теорема Остроградского-Гаусса. 4
31. Применения теоремы Остроградского-Гаусса для расчёта полей. 4
32. Работа по перемещению заряда в электростатическом поле.
Циркуляция вектора .... 4
33. Связь между напряжённостью поля и потенциалом.. 4
34. Электроёмкость проводников. Конденсаторы.. 4
35. Энергия электростатического поля. 4
VI. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.. 4
36. Основные характеристики тока. 4
37. Закон Ома для однородного участка цепи. 4
38. Закон Джоуля - Ленца. 4
39. Правила Кирхгофа. 4
40. Контактная разность потенциалов. 4
41. Эффект Зеебека. 4
42. Эффект Пельтье. 4
ВВЕДЕНИЕ
Физика - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений.
В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения материи физика подразделяется на ряд дисциплин (разделов), в той или иной мере связанных друг с другом. По изучаемым объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твёрдого тела, физику плазмы.
В соответствии с различными формами движения материи в физике выделяют: механику материальной точки и твёрдого тела, механику сплошных сред, термодинамику и статистическую физику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. Указанные разделы физики частично перекрываются вследствие глубокой внутренней связи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют.
Физика является фундаментом для всех общеинженерных и специальных дисциплин. Знания в области физики необходимы инженерам как при эксплуатации действующих машин и механизмов, так и при конструировании новых.
Основные единицы СИ
Метр(м) - единица длины. До 1960 г. международным эталоном метра была штриховая мера длины - брусок из платиноиридиевого сплава. В I960 г. было… В 1983 г. принято новое определение метра, основанное на значении скорости… Килограмм (кг) - единица массы. В качестве килограмма взята масса международного прототипа, хранимого в Международном…I. МЕХАНИКА
Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частей в пространстве. Рассматриваемые в механике… Изучение курса физики начнём с классической механики. В основе классической… В классической механике обычно выделяют три раздела:Кинематика материальной точки
Основные понятия кинематики
Материальная точка - тело, имеющее массу, но его размерами и формой в условиях данной задачи можно пренебречь.
Пространство и время - категории, определяющие основные формы существования материи. Пространство определяет порядок существования отдельных объектов, а время - порядок смены явлений.
Рис. 1.1
|
Система отсчёта - совокупность системы взаимно неподвижных тел и связанных с ними часов, по отношению к которым изучается движение каких-нибудь других материальных тел. Выбор системы отсчёта произволен и зависит от целей исследования. Обычно с телом (или системой тел) связывают декартову систему координат, в которой положение материальной точки в данный момент времени задаётся тремя координатами x , y , z (рис. 1.1).
Траектория - непрерывная линия, которую описывает материальная точка при своём движении. Если траектория - прямая линия, то движение называется прямолинейным, в противном случае - криволинейным. Вид траектории зависит от выбора системы отсчёта.
где - изменение радиуса-вектора за время dt (рис. 1.3).
Из (1.2) видно, что скорость численно равна пути, пройденному материальной точкой за единицу времени. Вектор скорости направлен в сторону движения по касательной к траектории.
Ускорение - векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости, как по величине, так и по направлению.
| . | (1.3) |
При dt =1, || = ||, т.е. ускорение численно равно изменению скорости за единицу времени.
Нормальное и касательное ускорения
В общем случае ускорение при криволинейном движении можно представить в виде векторной суммы касательного (или тангенциального) ускорения t и… Касательное ускорение характеризует быстроту изменения скорости по модулю.…Динамика поступательного движения
Законы Ньютона
Первый закон Ньютона. Если на тело не действуют силы, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения относительно… Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного… Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело, пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально…Закон сохранения импульса
Пусть имеется система из трёх взаимодействующих материальных точек (рис.2.2). На каждую материальную точку этой системы действуют как внутренние,…Работа и энергия
Работа
Работа есть мера действия силы, зависящая от значения и направления силы, а также от величины перемещения её точки приложения.
Если силапо значению и направлению, то при прямолинейном движении работа
Если сила - переменная, то вначале вычисляют элементарную работу dA=Fdlcosa, где a - угол между касательной к траектории в данной точке и направлением силы (рис. 3.2).
Суммарная работа на конечном участке траектории найдётся как интеграл по кривой С , совпадающей с траекторией:
.
Связь между работой и изменением кинетической энергии
Такое движение будет ускоренным: начальное (в момент времени t1) значение скоростиизменится и к моменту времени t2 станет равным (рис. 3.3). В данном случае имеется двоякое проявление силы: с одной стороны, происходит… Работа А=Fl=mal. Так как при равноускоренном движении, тоСвязь между работой и изменением потенциальной энергии
.Закон сохранения механической энергии
Полной механической энергией системы называется сумма кинетической и потенциальной энергии всех тел, входящих в эту систему: W=Wk+Wp. Пусть система переходит из состояния 1, характеризуемого значениями… W2 – W1=(Wk2+Wp2) - (Wk1+ Wp1)=(Wk2 - Wk1) + (Wp2 - Wp1).Соударения
Упругий удар.Абсолютно упругим называется такой удар, в котором не происходит превращение механической энергии соударяющихся тел в другие виды. … Рассмотрим в качестве простейшего примера прямой центральный удар, в котором… Пусть. Тогда в какой-то момент времени первое тело нагонит второе и произойдёт столкновение. В момент удара…Основной закон динамики вращательного движения
Касательная сила вызовет появление касательного ускорения. В соответствии со вторым законом Ньютона Ft=mat или F cos a=mat. Выразим касательное ускорение через угловое: at=re. Тогда F cos a=mre. Умножим…Закон сохранения момента импульса
. (4.6) Выражение (4.6) представляет закон сохранения момента импульса: в… При вращении абсолютно твёрдого тела вокруг неподвижной оси его момент инерции остаётся постоянным. Из закона…Гироскоп
Если на равномерно вращающийся гироскоп не действуют внешние моменты сил, то согласно закону сохранения момента импульса направление его оси… Рассмотрим теперь, что будет происходить, если на свободный гироскоп будет… Ось собственного вращения гироскопа вертикальна (совпадает с осью z); вектор момента импульса ориентирован вдоль этой…II. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Общая характеристика колебательных процессов. Гармонические колебания
В технике устройства, использующие колебательные процессы могут выполнять определённые функциональные обязанности (маятник, колебательный контур,… Колебания называются периодическими, если система через определенные равные…Колебания пружинного маятника
При смещении тела на величину x от положения равновесия возникает упругая сила F=-kx, (6.1)Энергия гармонического колебания
Очевидно, что полная энергия пружинного маятника W=Wk+Wp, где кинетическая Wk и потенциальнаяWp энергии определяются выражениямиСложение гармонических колебаний одинакового направления
Из точки O, взятой на оси x построим вектор, образующий с осью угол j0 (рис. 8.1). Проекция этого вектора на осьx равнаЗатухающие колебания
Рассмотрим случай, когда колеблющееся тело находится в вязкой среде, а его скорость v невелика - рис. 9.1. Тогда на тело действует сила сопротивления, равная, (9.1)Вынужденные колебания
Предположим, что на колеблющуюся систему действует внешняя (вынуждающая) сила, изменяющаяся по гармоническому закону: Fвн = F0 cos wt,Упругие (механические) волны
Упругие волны - процесс распространения в упругой среде механических деформаций, Область пространства, охваченная волновым процессом, называется волновым… Поверхность, во всех точках которой волна в данный момент времени имеет одинаковую фазу, называется фронтом волны.…Интерференция волн
Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и не зависящую от времени (постоянную) разность фаз. Найдём условия возникновения интерференционных максимумов и минимумов при… Каждый из источников "посылает" в точку М волны, уравнения которых имеют вид:Стоячие волны
Падающая волна описывается уравнением.Эффект Допплера в акустике
Звуковые волны в жидких и газообразных средах являются продольными. В твёрдых телах могут распространяться как продольные, так и поперечные звуковые… Эффект Допплера состоит в изменении частоты звуковых колебаний при движении… Обозначим: с - скорость звука в данной среде; u и v - скорости соответственно источника и приёмника относительно…III. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Молекулярная физика - это раздел физической науки, исследующий физические свойства и агрегатные состояния физических тел в зависимости отих молекулярного строения, характера теплового движения молекул и сил взаимодействия между ними.
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов
1) размеры молекул настолько малы, что их можно рассматривать как материальные точки; 2) потенциальная энергия взаимодействия между молекулами равна нулю при любом… Хаотическое движение молекул газа можно представить как движение 1/3 общего их числа в направлении оси x, 1/3 - вдоль…Распределение молекул по скоростям
Подсчитаем число молекул dN, скорости которых попадают внутрь интервала скоростей от v до (рис. 16.1). Очевидно, что dN пропорционально общему числу… Из (16.1) следуетБарометрическая формула
Найдём зависимость давления атмосферы от высоты над уровнем моря, используя следующую упрощённую модель: 1. Температура газа и его молекулярный состав не зависят от высоты; 2. Ускорение свободного падения на всех высотах, где существует атмосфера, постоянно. Рис. 17.1 …Распределение Больцмана
P = nkT; (18.1) P0 = n0kT. (18.2)Основные понятия термодинамики
1. Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией между собой и окружающей средой.
2.Состояние термодинамической системы определяется совокупностью значений ее термодинамических параметров (параметров состояния) - всех физических величин, характеризующих макроскопические свойства системы (давление, объем, температура и др.). Связь между термодинамическими параметрами определяется уравнением состояния. Так, для идеального газа уравнение состояния - это уравнение Менделеева-Клапейрона.
3. Состояние термодинамического равновесия есть обобщение понятия механического равновесия и формулируется следующим образом. В системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, должны быть равны давление во всех её частях (условие механического равновесия) и температуры (условие термического равновесия).
4. Термодинамический процесс - изменение состояния термодинамической системы, характеризующееся изменением её параметров состояния.
5. Равновесный процесс - бесконечная последовательность состояний равновесия.
6. Внутренняя энергия - суммарная кинетическая и потенциальная энергия взаимодействия всех частиц (атомов или молекул) тела.
Для идеального газа потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь, поэтому внутренняя энергия идеального газа полностью определяется кинетической энергией всех его молекул, находящихся в некотором ограниченном объёме . Внутренняя энергия идеального газа может быть найдена как произведение средней кинетической энергии wср движения молекул наих число. Поскольку wср зависит лишь от температуры (см. формулу (15.11)), то можно утверждать, что внутренняя энергия идеального газа полностью определяется его температурой.
6. Работа есть количественная мера превращения энергии хаотического движения молекул или направленного движения тел в энергию направленного движения макроскопических тел . Схематически такой процесс превращения энергии показан на рис. 19.1.
Процесс 1 сопровождается выполнением механической работы, которая численно равна изменению кинетической энергии тела (3.4).
где dV=Sdx - изменение объёма газа.
Формула (19.1) есть термодинамическое выражение для элементарной работы. Полная работа при расширении газа от объема V1 до объёма V2 определяется формулой
| . | (19.2) |
Рис. 19.3
|
Теплота есть количественная мера превращения энергии направленного или хаотического движения в энергию хаотического движения (рис. 19.3).
Процесс 1 происходит при торможении тел под действием силы трения. Такой процесс сопровождается превращением энергии направленного движения (кинетической энергии) тела в энергию хаотического движения частиц окружающей среды, что эквивалентно передаче ей некоторого количества теплоты. Такое же превращение энергии наблюдается в процессе, обратном показанному на рис. 19.2 (т.е. в процессе сжатия газа).
Процесс превращения энергии хаотического движения в энергию хаотического движения (канал 2 на рис. 19.3) есть не что иное, как процесс передачи теплоты от горячего тела к холодному.
Первое начало термодинамики и его применение к изопроцессам
dQ=dA+dU. (20.1)Число степеней свободы. Внутренняя энергия идеального газа
Система из двух материальных точек, расстояние между которыми остаётся постоянным, имеет пять степеней свободы: три из них приходятся на… Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы равна 3/2 kТ -… . (21.1)Адиабатный процесс
В адиабатном процессеdQ = 0, поэтому первое начало термодинамики применительно к этому процессу принимает вид dA + dU = 0; dA = -dU, (23.1)Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы). Принцип действия тепловой машины
1. После прохождения этих процессов и возвращения термодинамической системы в исходное состояние в окружающей среде не должно остаться никаких… 2. Процесс может самопроизвольно протекать как в прямом, так и в обратном… Примером обратимых процессов служат все механические процессы, в которых выполняются законы сохранения энергии,…Идеальная тепловая машина Карно
Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм (рис. 25.1). На этом рисунке 1®2 - изотермическое расширение при температуре Т1; 2®3 -… В идеальной машине Карно пренебрегают такими источниками потерь, как трение между цилиндрами и поршнем, утечка теплоты…Второе начало термодинамики
1. Невозможно построить циклически действующую тепловую машину, которая выполняла бы работу лишь за счёт охлаждения какого-либо тела. Такая машина…Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача теплоты от холодного тела к горячему.
Энтропия
Используя формулу (21.7), запишем выражение первого начала термодинамики…V. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Дискретность электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда
Различают два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Электрический заряд дискретен: заряд любого тела составляет целое кратное… Один из фундаментальных строгих законов природы - закон сохранения… 29. Закон Кулона. Напряжённость электростатического поля. Вектор электрического смещенияЭнергия электростатического поля
Будем последовательно переносить порции заряда dq из одной пластины на другую - рис. 35.1 При переносе заряда dq выполняется работа dA=Udq. Из (34.2) следует, что… Интегрируя это выражение от Q до 0, получим:VI. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Основные характеристики тока
Сила тока численно равна заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени: . (36.1) Сила тока измеряется в амперах (определение дано во Введении). Вектор плотности тока численно равен силе тока,…Закон Ома для однородного участка цепи
Ом экспериментально установил, что сила тока на однородном участке цепи пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению: … Рис. 37.1 Представим закон Ома (37.1) в дифференциальной форме. Для этого выделим внутри проводника с током элементарный участок…Закон Джоуля - Ленца
Представим закон Джоуля - Ленца (З8.1) в дифференциальной форме. Выделим, как…Правила Кирхгофа
Первое правило Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна нулю, т.е. .Контактная разность потенциалов
электроны получают возможность переходить из одного проводника в другой и обратно. Равновесное состояние такой системы наступит тогда, когда… Величина контактной разности потенциалов определяется различием работ выхода1…Эффект Зеебека
Если же контакты поддерживать при различных температурах (нагревая или охлаждая один из них), то в цепи возникнет отличная отнуля ЭДС (рис. 41.1): … .Эффект Пельтье
Теплота Пельтье, выделяемая или поглощаемая на контакте за время t, в отличие от теплоты Джоуля-Ленца, пропорциональна силе тока в первой степени: … , где П - коэффициент Пельтье, зависящий от природы соприкасающихся проводников и температуры контакта. …Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Общий курс «Механика» является частью курса общей физики. Слушатели ознакомятся с основными механическими явлениями и методами их теоретического описания. В лекции включены видеозаписи физических демонстраций, изучаемых механических явлений.
Построение курса традиционно. Курс охватывает классический материал по курсу общей физики, раздел «Механика», читающийся на первом курсе физического факультета МГУ в первом семестре. В курсе будут представлены разделы «Кинематика и динамика материальной точки и простейших систем», «Законы сохранения», «Движение материальной точки в неинерциальных системах отсчета», «Основы релятивистской механики», «Кинематика и динамика твердого тела» «Основы механики деформируемых сред», «Основы гидромеханики и аэромеханики», «Механические колебания и волны».
Курс ориентирован на бакалавров, специализирующихся по естественнонаучным дисциплинам, а также на учителей физики средних школ и на преподавателей вузов. Будет также полезен школьникам, углублённо занимающимся физикой.
Формат
Форма обучения заочная (дистанционная).
Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций, включающих видеозаписи лекционных экспериментов и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов. Важным элементом изучения дисциплины является самостоятельное решение физических задач. Решение должно будет содержать строгие и логически верные рассуждения, приводящие к верному ответу.
Требования
Курс рассчитан на бакалавров 1 года обучения. Требуется знание физики и математики в объёме средней школы (11 классов).
Программа курса
Введение
В.1 Пространство и время в механике Ньютона
В.2 Система отсчета
Глава 1.
Кинематика и динамика простейших систем
П.1.1. Кинематика материальной точки и простейших систем
П.1.2. Законы Ньютона
П.1.3. Законы, описывающие индивидуальные свойства сил
Глава 2.
Законы сохранения в простейших системах
П.2.1. Закон сохранения импульса
П.2.2. Механическая энергия
П.2.3. Связь законов сохранения с однородностью пространства и времени
Глава 3.
Неинерциальные системы отсчета
П.3.1. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции
П.3.2. Проявление сил инерции на Земле
П.3.3. Принцип эквивалентности
Глава 4.
Основы релятивистской механики
П.4.1. Пространство и время в теории относительности
П.4.2. Преобразования Лоренца
П.4.3. Следствия преобразований Лоренца
П.4.4. Интервал
П.4.5. Сложение скоростей
П.4.6. Уравнение движения
П.4.7. Импульс, энергия и масса в теории относительности
Глава 5.
Кинематика и динамика твердого тела
П.5.1. Кинематика твердого тела
П.5.2. Динамика твердого тела
П.5.3. Кинетическая энергия твердого тела
П.5.4. Гироскопы, волчки
Глава 6.
Основы механики деформируемых тел
П.6.1. Деформации и напряжения в твердых телах
П.6.2. Коэффициент Пуассона
П.6.3. Связь между модулем Юнга и модулем сдвига
П.6.4. Энергия упругих деформаций
Глава 7.
Колебания
П.7.1. Свободные колебания систем с одной степенью свободы
П.7.2. Вынужденные колебания
П.7.3. Сложение колебаний
П.7.4. Колебания в связанных системах
П.7.5. Нелинейные колебания
П.7.6. Параметрические колебания
П.7.7. Автоколебания
Глава 8.
Волны
П.8.1. Распространение импульса в среде. Волновое уравнение
П.8.2. Плотность и поток энергии в бегущей волне. Вектор Умова
П.8.3. Отражение волн, моды колебаний
П.8.4. Элементы акустики
П.8.5. Ударные волны
Глава 9.
Основы гидро и аэромеханики
П.9.1. Основы гидро- и аэростатики
П.9.2. Стационарное течение несжимаемой жидкости
П.9.3. Ламинарное и турбулентное течение. Обтекание тел жидкостью или газом
Результаты обучения
В результате освоения дисциплины студент должен знать основные механические явления, методы их теоретического описания и способы их использования в физических приборах; уметь решать задачи из раздела «Механика» курса общей физики.
5-е изд., стер. - М.: 2006.- 352 с.
В книге в краткой и доступной форме изложен материал по всем разделам программы курса "Физика" - от механики до физики атомного ядра и элементарных частиц. Для студентов вузов. Полезно для повторения пройденного материала и при подготовке к экзаменам в вузах, техникумах, колледжах, школах, на подготовительных отделениях и курсах.
Формат: djvu / zip
Размер: 7 ,45 Мб
Скачать:
RGhost
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 4
Предмет физики 4
Связь физики с другими науками 5
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ 6
Механика и ее структура 6
Глава 1. Элементы кинематики 7
Модели в механике. Кинематические уравнения движения материальной точки.
Траектория, длина пути, вектор перемещения. Скорость. Ускорение и его
составляющие. Угловая скорость. Угловое ускорение.
Глава 2
Динамика материальной точки и
поступательное движение твердого тела 14
Первый закон Ньютона. Масса. Сила. Второй и третий законы Ньютона. Закон
сохранения импульса. Закон движения центра масс. Силы трения.
Глава 3. Работа и энергия 19
Работа, энергия, мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Связь между
консервативной силой и потенциальной энергией. Полная энергия. Закон сохранения
энергии. Графическое представление энергии. Абсолютно упругий удар. Абсолютно
неупругий удар
Глава 4. Механика твердого тела 26
Момент инерции. Теорема Штейнера. Момент силы. Кинетическая энергия
вращения. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Момент
импульса и закон его сохранения. Деформации твердого тела. Закон Гука. Связь
между деформацией и напряжением.
Глава 5. Тяготение. Элементы теории поля 32
Закон всемирного тяготения. Характеристики поля тяготения. Работа в поле
тяготения. Связь между потенциалом поля тяготения и его напряженностью.
Космические скорости. Силы инерции.
Глава 6. Элементы механики жидкостей 36
Давление в жидкости и газе. Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли.
Некоторые применения уравнения Бернулли. Вязкость (внутреннее трение). Режимы
течения жидкостей.
Глава 7. Элементы специальной теории относительности 41
Механический принцип относительности. Преобразования Галилея. Постулаты СТО.
Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца (1). Следствия из
преобразований Лоренца (2). Интервал между событиями. Основной закон
релятивистской динамики. Энергия в релятивистской динамике.
2. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 48
Глава 8. Молекулярно-кннетическая теория идеальных газов 48
Разделы физики: молекулярная физика и термодинамика. Метод исследования
термодинамики. Температурные шкалы. Идеальный газ. Законы Бойля-Мари-отга,
Авогадро, Дальтона. Закон Гей-Люссака. Уравнение Клапейрона-Мен¬делеева.
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Закон Максвелла о
распределении молекул идеального газа по скоростям. Барометрическая формула.
Распределение Больцмана. Средняя длина свободного пробега молекул. Некоторые
опыты, подтверждающие МКТ. Явления переноса (1). Явления переноса (2).
Глава 9. Основы термодинамики 60
Внутренняя энергия. Число степеней свободы. Закон о равномерном
распределении энергии по степеням свободы молекул. Первое начало термодинамики.
Работа газа при изменении его объема. Теплоемкость (1). Теплоемкость (2).
Применение первого начала термодинамики к изопроцессам (1). Применение первого
начала термодинамики к изопроцессам (2). Адиабатный процесс. Круговой процесс
(цикл). Обратимые и необратимые процессы. Энтропия (1). Эн¬тропия (2). Второе
начало термодинамики. Тепловой двигатель. Теорема Кар-но. Холодильная машина.
Цикл Карно.
Глава 10. Реальные газы, жидкости и твердые тела 76
Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнение
Ван-дер-Ваальса (уравнение состояния реальных газов). Изотермы Ван-дер-Ваальса и
их анализ (1). Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ (2). Внутренняя энергия
реального газа. Жидкости и их описание. Поверхностное натяжение жидкостей.
Смачивание. Капиллярные явления. Твердые тела: кристаллические и аморфные. Моно-
и поликристаллы. Кристаллографический признак кристаллов. Типы кристаллов
согласно физическому признаку. Дефекты в кристаллах. Испарение, сублимация,
плавление и кристаллизация. Фазовые переходы. Диаграмма состояния. Тройная
точка. Анализ экспериментальной диаграммы состояния.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 94
Глава 11. Электростатика 94
Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда. Закон Кулона.
Напряженность электростатического поля. Линии напряженности электростатического
поля. Поток вектора напряженности. Принцип суперпозиции. Поле диполя. Теорема
Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Гаусса к
расчету полей в вакууме (1). Применение теоремы Гаусса к расчету полей в вакууме
(2). Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал
электростатического поля. Разность потенциалов. Принцип суперпозиции. Связь
между напряженностью и потенциалом. Эквипотенциальные поверхности. Вычисление
разности потенциалов по напряженности поля. Типы диэлектриков. Поляризация
диэлектриков. Поляризован-ность. Напряженность поля в диэлектрике. Электрическое
смещение. Теорема Гаусса для поля в диэлектрике. Условия на границе раздела двух
диэлектриче¬ских сред. Проводники в электростатическом поле. Электроемкость.
Плоский конденсатор. Соединение конденсаторов в батареи. Энергия системы зарядов
и уединенного проводника. Энергия заряженного конденсатора. Энергия
электростатического поля.
Глава 12. Постоянный электрический ток 116
Электрический ток, сила и плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая
сила (ЭДС). Напряжение. Сопротивление проводников. Закон Ома для одно¬родного
участка в замкнутой цепи. Работа и мощность тока. Закон Ома для неоднородного
участка цепи (обобщенный закон Ома (ОЗО)). Правила Кирхгофа для разветвленных
цепей.
Глава 13. Электрические токи в металлах, вакууме и газах 124
Природа носителей тока в металлах. Классическая теория электропроводности
металлов (1). Классическая теория электропроводности металлов (2). Работа выхода
электронов из металлов. Эмиссионные явления. Ионизация газов. Несамостоятельный
газовый разряд. Самостоятельный газовый разряд.
Глава 14. Магнитное поле 130
Описание магнитного поля. Основные характеристики магнитного поля. Линии
магнитной индукции. Принцип суперпозиции. Закон Био-Савара-Лапласа и его
применение. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов. Магнит¬ная
постоянная. Единицы В и Н. Магнитное поле движущегося заряда. Действие
магнитного поля на движущийся заряд. Движение заряженных частиц в
магнитном поле. Теорема о циркуляции вектора В. Магнитное поля соленоида и
тороида. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В. Работа по
перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
Глава 15. Электромагнитная индукция 142
Опыты Фарадея и следствия из них. Закон Фарадея (закон электромагнитной
индукции). Правило Ленца. ЭДС индукции в неподвижных проводниках. Вра¬щение
рамки в магнитном поле. Вихревые токи. Индуктивность контура. Самоиндукция. Токи
при размыкании и замыкании цепи. Взаимная индукция. Трансформаторы. Энергия
магнитного поля.
Глава 16. Магнитные свойства вещества 150
Магнитный момент электронов. Диа- и парамагнетики. Намагниченность.
Магнитное поле в веществе. Закон полного тока для магнитного поля в веществе
(теорема о циркуляции вектора В). Теорема о циркуляции вектора Н. Условия на
границе раздела двух магнетиков. Ферромагнетики и их свойства.
Глава 17. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля 156
Вихревое электрическое поле. Ток смещения (1). Ток смещения (2). Уравнения
Максвелла для электромагнитного поля.
4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 160
Глава 18. Механические и электромагнитные колебания 160
Колебания: свободные и гармонические. Период и частота колебаний. Метод
вращающегося вектора амплитуды. Механические гармонические колебания.
Гармонический осциллятор. Маятники: пружинный и математический. Физиче¬ский
маятник. Свободные колебания в идеализированном колебательном контуре. Уравнение
электромагнитных колебаний для идеализированного контура. Сложение гармонических
колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно
перпендикулярных колебаний. Свободные затухающие колебания и их анализ.
Свободные затухающие колебания пружинного маятника. Декремент затухания.
Свободные затухающие колебания в электри¬ческом колебательном контуре.
Добротность колебательной системы. Вынужденные механические колебания.
Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток. Ток через резистор.
Переменный ток, текущий через катушку индуктивностью L. Переменный ток, текущий
через конденсатор емкостью С. Цепь переменного тока, содержащая последовательно
включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор. Резонанс напряжений (последователь¬ный
резонанс). Резонанс токов (параллельный резонанс). Мощность, выделяе¬мая в цепи
переменного тока.
Глава 19. Упругие волны 181
Волновой процесс. Продольные и поперечные волны. Гармоническая волна и ее
описание. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение. Принцип
суперпозиции. Групповая скорость. Интерференция волн. Стоя¬чие волны. Звуковые
волны. Эффект Доплера в акустике. Получение электромагнитных волн. Шкала
электромагнитных волн. Дифференциальное уравнение
электромагнитных волн. Следствия теории Максвелла. Вектор плотности потока
электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойнгинга). Импульс электромагнитного
поля.
5. ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ 194
Глава 20. Элементы геометрической оптики 194
Основные законы оптики. Полное отражение. Линзы, тонкие линзы, их
характеристики. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. Построение
изо¬бражений в линзах. Аберрации (погрешности) оптических систем.
Энергетиче¬ские величины в фотометрии. Световые величины в фотометрии.
Глава 21. Интерференция света 202
Вывод законов отражения и преломления света на основе волновой теории.
Когерентность и монохроматичность световых волн. Интерференция света. Неко¬торые
методы наблюдения интерференции света. Расчет интерференционной картины от двух
источников. Полосы равного наклона (интерференция от плоскопараллельной
пластинки). Полосы равной толщины (интерференция от пластинки переменной
толщины). Кольца Ньютона. Некоторые применения интерференции (1). Некоторые
применения интерференции (2).
Глава 22. Дифракция света 212
Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля (1). Метод зон Френеля (2).
Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на щели
(1). Дифракция Фраунгофера на щели (2). Дифракция Фраунгофера на дифракционной
решетке. Дифракция на пространственной решетке. Критерий Рэлея. Разрешающая
способность спектрального прибора.
Глава 23. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 221
Дисперсия света. Различия в дифракционном и призматическом спектрах.
Нормальная и аномальная дисперсия. Элементарная электронная теория дисперсии.
Поглощение (абсорбция) света. Эффект Доплера.
Глава 24. Поляризация света 226
Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Прохождение света через
два поляризатора. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух
диэлектриков. Двойное лучепреломление. Положительные и отрицательные кристаллы.
Поляризационные призмы и поляроиды. Пластинка в четверть волны. Анализ
поляризованного света. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости
поляризации.
Глава 25. Квантовая природа излучения 236
Тепловое излучение и его характеристики. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана,
Вина. Формулы Рэлея-Джинса и Планка. Получение из формулы Планка частных законов
теплового излучения. Температуры: радиационная, цветовая, яркостная.
Вольтамперная характеристика фотоэффекта. Законы фотоэффекта. Уравнение
Эйнштейна. Импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона. Единство
корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
6. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛИТВЕРДЫХТЕЛ 246
Глава 26. Теория атома водорода по Бору 246
Модели атома Томсона и Резерфорда. Линейный спектр атома водорода. Постулаты
Бора. Опыты Франка и Герца. Спектр атома водорода по Бору.
Глава 27. Элементы квантовой механики 251
Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Некоторые свойства волн де
Бройля. Соотношение неопределенностей. Вероятностный подход к описанию
микрочастиц. Описание микрочастиц с помощью волновой функции. Принцип
суперпозиции. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шрединге-ра для стационарных
состояний. Движение свободной частицы. Частица в одномерной прямоугольной
«потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками». Потенциальный барьер
прямоугольной формы. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный
эффект. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике.
Глава 28. Элементы современной физики атомов и молекул 263
Водородоподобный атом в квантовой механике. Квантовые числа. Спектр атома
водорода. ls-состояние электрона в атоме водорода. Спин электрона. Спиновое
квантовое число. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фер-мионы и
бозоны. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Сплошной
(тормозной) рентгеновский спектр. Характеристический рентгеновский спектр. Закон
Мозли. Молекулы: химические связи, понятие об энергетических уровнях.
Молекулярные спектры. Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучение. Активные
среды. Типы лазеров. Принцип работы твердотельного лазера. Газовый лазер.
Свойства лазерного излучения.
Глава 29. Элементы физики твердого тела 278
Зонная теория твердых тел. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной
теории. Собственная проводимость полупроводников. Электронная примесная
проводимость (проводимость я-типа). Донорная примесная проводимость
(проводимость р-типа). Фотопроводимость полупроводников. Люминесценция твердых
тел. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-п-переход).
Проводимость р-и-перехода. Полупроводниковые диоды. Полупро¬водниковые триоды
(транзисторы).
7. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 289
Глава 30. Элементы физики атомного ядра 289
Атомные ядра и их описание. Дефект массы. Энергия связи ядра. Спин ядра и
его магнитный момент. Ядерные сипы. Модели ядра. Радиоактивное излучение и его
виды. Закон радиоактивного распада. Правила смещения. Радиоактивные семейства.
а-Распад. р-Распад. у-Излучение и его свойства. Приборы для регистрации
радиоактивных излучений и частиц. Сцинтилляционный счетчик. Импульсная
ионизационная камера. Газоразрядный счетчик. Полупроводниковый счетчик. Камера
Вильсона. Диффузионная и пузырьковая камеры. Ядерные фотоэмульсии. Ядерные
реакции и их классификация. Позитрон. Р+-Распад. Электронно-позитронные пары, их
аннигиляция. Электронный захват. Ядерные реакции под действием нейтронов.
Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Ядерные реакторы. Реакция синтеза
атомных ядер.
Глава 31. Элементы физики элементарных частиц 311
Космическое излучение. Мюоны и их свойства. Мезоны и их свойства. Типы
взаимодействий элементарных частиц. Описание трех групп элементарных частиц.
Частицы и античастицы. Нейтрино и антинейтрино, их типы. Гипероны. Странность и
четность элементарных частиц. Характеристики лептонов и адронов. Классификация
элементарных частиц. Кварки.
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева 322
Основные законы и формулы 324
Предметный указатель 336