Содержание курса

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Физика.

Контрольные работы, примеры решения задач.

Методическое пособие

для студентов всех технических специальностей и направлений бакавриата заочного отделения

Вологда

УДК 53.(07.072)

Физика: Методическое пособие для студентов всех технических специальностей заочного отделения. – Вологда: ВоГУ, 2014 - 230с.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГУ.

Составители:

В.И. Богданов, доктор физ.-мат. наук, профессор

С.К. Корнейчук, канд. физ.-мат. наук, доцент

О.Ю. Штрекерт, канд. физ.-мат. наук, доцент

Рецензенты:

А.И. Домаков, кандидат техн. наук, профессор ВоГУ

В.А. Горбунов, доктор физ-мат. наук, профессор ВоГУ

Содержание

Введение 4

Программа учебного курса 4

Физические основы механики 10

Элементы специальной теории относительности 17

Механические колебания и волны 18

Гидродинамика 59

Физические основы термодинамики 63

Электростатика и постоянный ток 85

Электромагнетизм 135

Волновая оптика 170

Квантовая физика 172

Статистическая физика 199

Радиоактивность 203

Приложения 219

Библиографический список 226

Таблицы вариантов 228

Введение

Курс общей физики студенты заочного отделения изучают на первом и втором курсах. Занятия по расписанию проводятся в форме лекций, практических и лабораторных занятий, а также в виде консультаций.

Контроль знаний осуществляется при защите контрольных работ, в виде отчетов за проделанные лабораторные работы, а также в виде зачетов и экзаменов. Содержание курса изложено в рабочей программе. Рабочая программа курса составлена на основе требований Государственного стандарта для рассматриваемых специальностей. В программе даны: тематика лекций, темы практических занятий, список лабораторных работ.

Программа учебного курса

Цель курса: раскрыть содержание основных законов и понятий физики; обеспечить понимание и усвоение физических закономерностей и явлений, которые необходимы для изучения общетехнических и специальных дисциплин (физические основы электроники, общая химия, электротехника, материаловедение и технология конструкционных материалов, энергетика и т.д.).

Содержание курса

Тема 1: Физические основы механики. Элементы специальной теории относительности

1.1. Кинематика поступательного и вращательного движения материальной точки.

1.2. Динамика материальной точки. Силы в природе. Закон Всемирного тяготения. Системы отсчета в механике.

1.3. Импульс. Закон сохранения импульса. Энергия как количественная мера движения материи. Работа силы. Мощность. Кинетическая энергия и ее связь с работой. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии для системы материальных точек.

1.4. Динамика абсолютно твердого тела: момент инерции и момент импульса. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса для системы материальных точек. Момент инерции твердого тела относительно неподвижной оси вращения. Основное уравнение динамики вращательного движения. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия твердого тела.

1.5. Механика сплошных сред: давление, закон Паскаля, закон Архимеда. Равновесие, погруженных в жидкость, тел. Идеальная жидкость. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Течение вязкой жидкости. Ламинарное и турбулентное течение. Число Рейнольдса. Движение вязкой жидкости в трубе. Формула Пуазейля. Метод Стокса. Движение тел в жидкостях и газах.

1.6. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Инварианты преобразований. Элементы релятивистской динамики: масса, импульс и энергия.

Тема 2: Механические колебания и волны

3.1. Понятие о колебательных процессах. Смещение, скорость, ускорение материальной точки, совершающей колебательное движение. Амплитуда. Период. Частота. Сложение гармонических колебаний. Маятники: физический, математический и пружинный. Свободные колебания. Коэффициент затухания, декремент затухания, добротность колебательной системы.

3.2. Понятие волны. Продольные и поперечные волны. Волновое уравнение. Энергия бегущей волны. Вектор Умова.

Тема 3: Основы термодинамики

4.1. Термодинамический метод. Макроскопические параметры. Уравнение состояния. Первое начало термодинамики. Классическая теория теплоемкости идеального газа. Адиабатный процесс.

4.2. Обратимые и необратимые тепловые процессы. Тепловые двигатели. Второе начало термодинамики в формулировке Томпсона и Клаузиуса. Цикл Карно. КПД тепловой машины. Энтропия. Закон возрастания энтропии. Цикл Карно в (T,S) – координатах.

4.3. Фазовые переходы первого рода. Условия равновесия фаз. Диаграмма фазового равновесия. Тройная точка. Фазовые переходы второго рода. Λ-переходы.

Тема 4: Электростатика и постоянный ток

4.1. Электростатическое поле в вакууме: закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность поля. Теорема Остроградского – Гаусса для электростатического поля в вакууме. Работа сил поля. Потенциал. Связь потенциала с напряженностью поля.

4.2. Электрическое поле в диэлектриках:поляризация диэлектрика, поляризованность, виды поляризации в диэлектриках. Сегнетоэлектрики. Гистерезис. Петля гистерезиса. Вектор электростатической индукции. Относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость.

4.3. Проводники в электрическом поле.Связь напряженности поля у поверхности проводника с поверхностной плотностью заряда. Конденсаторы. Электроемкость. Энергия электрического поля в конденсаторе.

4.4. Постоянный электрический ток и его характеристики: сила тока, плотность тока. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводника. Сверхпроводимость.Закон Ома и закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме записи. Сторонние силы и электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Законы Кирхгофа. Классическая теория электропроводности металлов.

Тема 5: Электромагнетизм

5.1. Магнитное поле и его характеристики. Вектор магнитной индукции. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле проводника с током и витка с током. Сила Ампера.

5.2. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Принцип действия ускорителей. Контур с током в магнитном поле. Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Закон полного тока.

5.3. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность соленоида и тороида. Магнитная энергия тока. Плотность магнитной энергии.

5.4. Статическое поле в веществе. Плоский конденсатор с диэлектриком. Энергия диполя во внешнем электростатическом поле. Поляризация диэлектрика. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.

Молекулярные токи. Намагниченность. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Виды магнетиков.

5.5. Уравнения Максвелла. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме записи.

5.6. Электромагнитные колебания. Превращение энергии в колебательном контуре. Переменный ток.

Тема 6. Волновая оптика

6.1. Интерференция света. Способы получения когерентных волн и интерференционных картин. Интерферометры.

6.2. Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка.

Тема 7. Квантовая физика

7.1. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Экспериментальное обоснование основных идей квантовой физики. Опыты Франка и Герца, Штерна и Герлаха.

7.2. Постулаты Бора. Линейчатые спектры атомов. Энергия и импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона.

7.3. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Квантовое состояние. Волновая функция и ее статистический смысл. Уравнение Шредингера. Стационарные состояния. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Прохождение частицы над барьером. Объяснение туннельного эффекта.

7.4. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни.. Потенциалы возбуждения и ионизации. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д.И Менделеева.

7.5. Атомное ядро. Строение и феноменологические модели ядра. Ядерные реакции. Радиоактивные превращения ядер. Цепная реакция деления. Термоядерная реакция. Реакция синтеза.

Тема 8. Статистическая физика

8.1. Статистический и термодинамический методы. Макроскопические параметры. Уравнение состояния. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Молекулярно-кинетический смысл температуры.

8.2. Функции распределения. Распределение Максвелла. Средняя кинетическая энергия частицы. Распределение Больцмана.

8.3. Экспериментальные данные о диффузии, внутреннем трении и теплопроводности в газах, жидкостях и твердых телах. Эффективное сечение рассеяния, средняя длина свободного пробега молекул в газе. Молекулярно-кинетическая теория явлений переноса в идеальном газе.

8.4. Статистическое описание квантовой системы. Принцип тождественности частиц. Распределение Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака.

8.5. Электропроводность металлов. Носители тока в металлах. Недостаточность классической электронной теории. Электронный Ферми-газ в металле. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов. Зонная структура энергетического спектра электронов. Заполнение зон. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории.

8.6. Колебания кристаллической решетки. Теплоемкость кристаллов при низких и высоких температурах. Модели Эйнштейна и Дебая.