Практические занятия по дисциплине «Физика» (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КАФЕДРА «ФИЗИКА»

Практические занятия

по дисциплине

«Физика»

Часть I

Механика (2)

Молекулярная физика

Термодинамика

Методические указания

РПК «Политехник»

Волгоград

2006

УДК

П 69

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА». Часть I. «Механика» (2), «Молекулярная физика», «Термодинамика»: Методические указания / Сост. ёва; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 55 с.

Рассматривается материал, относящийся к разделам «Механика», «Молекулярная физика» и «Термодинамика». Приведен в компактном виде теоретический материал соответствующих разделов, а также типовые задачи и задачи, предложенные для самостоятельного решения.

Предназначены в помощь преподавателям и студентам, обучающимся по направлениям 260700.

Библиогр.: 4 назв.

Рецензент к. т. н. доцент

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета.

Ковалева

Практические занятия по дисциплине «Физика» Часть I. Механика (2)

«Молекулярная физика», «Термодинамика»

Методические указания. Под редакцией автора.

Темплан 2006 г., поз. №. 49.

Лицензия ИД № 000 от 01.01.01 г.

Подписано в печать г. Формат 60×84 1/16. Бумага листовая.

Гарнитура ”Times“. Усл. печ. л. 3,44. Усл. авт. л. 3,31.

Тираж 100 экз. Заказ № 24.

Волгоградский государственный технический университет

400131 Волгоград, просп. им. , 28.

РПК «Политехник»

Волгоградского государственного технического университета

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания являются пособием для проведения практических занятий по дисциплине «Физика»

(«Механика» (2), «Молекулярная физика», «Термодинамика»).

Целью данного пособия является описание методики проведения практических занятий по следующим разделам физики: «Механика», «Молекулярная физика» и «Термодинамика». Каждое практическое занятие рассчитано на 2 аудиторных часа. К каждому практическому занятию отдельно составлен план проведения занятия с указанием цели занятия; в компактном виде приведён теоретический материал; рассмотрены типовые задачи с их решениями.

Тема 4.1 Элементы механики жидкостей

I. Цель практического занятия:

Закрепить и углубить знание теоретических вопросов, основных понятий и формул, уравнений механики жидкостей. Учиться применять полученные знания для решения задач по данной теме.

II. Расчёт учебного времени:

Содержание занятия

Время (мин.)

Вступительная часть: Объявление темы и цели занятия. Контрольный опрос: Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли для стационарного течения идеальной несжимаемой жидкости. Уравнение для трубки тока, расположенной горизонтально. Формула Стокса. Формула Пуазейля. Основная часть: Решение задач по темам: С использованием уравнения неразрывности струи и уравнения Бернулли; С использованием формулы Стокса; С использованием формулы Пуазейля. Заключительная часть: Подведение итогов занятий, объявление задания на самостоятельное решение.

10 70 10

Контрольный опрос

Уравнение неразрывности: Уравнение Бернулли:

- статическое давление жидкости для данного сечения трубки тока;

- динамическое давление для этого же сечения;

- гидростатическое давление.

Для горизонтальной трубки тока: Формула Стокса, определяющая силу сопротивления, действующую на медленно движущийся в вязкой среде шарик: ,

- радиус шарика;

- его скорость.

Формула Пуазейля, определяющая объем жидкости, протекающий за время t через капиллярную трубку диной l:

R – радиус трубки;

- разность давлений на концах трубки.

Основная часть

Пример №1

Горизонтальный цилиндр насоса имеет диаметр 20 см. в нём движется со скоростью м/с поршень, выталкивая воду через отверстие диаметром d2=2 см. С какой скоростью будет вытекать вода из отверстия? Каково будет избыточное давление p воды в цилиндре?

Дано:

Решение:

Из уравнения неразрывности:

;

Тогда:

Т. к. труба горизонтальная, то:

Поэтому:

Пример №2

Площадь поршня, вставленного в горизонтально расположенный, налитый водой цилиндр, S1=1,5 см2, а площадь отверстия S2=0,8 мм2. Пренебрегая трением и вязкостью, определить время t, за которое вытечет вода из цилиндра, если на поршень действовать постоянной силой F=5 Н, а ход поршня l=5 см. плотность воды =1000 кг/м3.

Дано:

t-?

Решение:

Объем вытекающей из цилиндра воды можно расписать:

Тогда время вытекания воды:

Цилиндр расположен горизонтально,

поэтому: т. е.

Из уравнения неразрывности: , тогда и .

И, окончательно

Пример №3

В бочку заливается вода со скоростью 200 см3/с. На дне бочки образовалось отверстие площадью поперечного сечения 0,8 см2. Пренебрегая вязкостью воды, определить уровень воды в бочке.

Дано:

h-?

Решение:

Т. к. уровень воды в бочке постоянный, то объем залитой за воды равен объему вылившейся воды:

то есть,

За нулевой уровень выберем дно бочки, тогда:

;

Пример № 4

По горизонтальной трубе переменного сечения течёт вода. Площади поперечного сечения трубы на разных её участках соответственно равны S1=10 см2 и S2=20 см2. Разность уровней воды в вертикальных трубках одинакового сечения составляет 20 см. Определить объём воды, проходящей за 1с через сечение трубы.

Дано: S1=10-3м2 S2=2·10-3м2 =0,2м t=1с

V/-?

Решение:

Из уравнения неразрывности струи:

Из уравнения Бернулли:

.

Тогда:

Объём воды, проходящий за 1с через сечение трубы:

Пример№5

Цилиндрический бак высотой h=1 м наполнен до краёв водой. За какое время вся вода выльется из отверстия, расположенного у дна бака? Площадь поперечного сечения отверстия в 400 раз меньше площади бака.

Дано: h=1м

t-?

Решение:

- скорость опускания уровня воды в баке.

- скорость вытекания воды из бака.

Из уравнения неразрывности:

Из уравнения Бернулли: , где y – уровень воды в баке. Тогда:

и

Считаем, что за малый промежуток времени dt скорость мало изменится, а уровень воды понизится на:

Откуда:

Тогда:

Пример №6

В боковой поверхности цилиндрического сосуда, стоящего на горизонтальной поверхности, имеется отверстие, поперечное сечение которого значительно меньше поперечного сечения самого сосуда. Отверстие расположено на расстоянии h1=49 см от уровня воды в сосуде, который поддерживается постоянным, и на расстоянии h2=25 см от дна сосуда. Пренебрегая вязкостью воды, определить расстояние по горизонтали от отверстия до места, куда попадает струя воды.

Дано: h1=0,49м h2=0,25м

S-?

Решение:

Из уравнения Бернулли:

;

Найдём t/: ; и ; Тогда:

Пример №7

Стальной шарик (плотность =9 г/см3) диаметром d=0,8 см падает с постоянной скоростью в касторовом масле (=0,96 г/см3, динамическая вязкость =0,99 Па·с.) Учитывая, что критическое значение числа Рейнольдса Reкр=0,5, определить характер движения масла, обусловленный падением в нём шарика.

Дано: =9·103кг/м3 d=8·10-3м =0,96·103кг/м3 =0,99Па·с Reкр=0,5

Re-?

Решение:

При установившемся движении шарика

(): ,

FA – сила Архимеда;

FСТ – сила внутреннего трения.

Так как

, то .

Для шара небольшого радиуса, движущегося в вязкой

жидкости, число Рейнольдса: , где

d –диаметр шарика. Тогда:

Так как то движение масла, обусловленное падением в него шарика, имеет турбулентный характер.

Пример№8

В боковую поверхность сосуда вставлен горизонтальный капилляр внутренним диаметром d=2 мм и длиной l=1,2 см. Через капилляр вытекает касторовое масло (плотность =0,96 г/см3, динамическая вязкость =0,99 Па·с), уровень которого в сосуде поддерживается постоянным на высоте h=30 см выше капилляра. Определить время, которое требуется для протекания через капилляр

10 см3 масла.

Дано: =0,96·103кг/м3 =0,99Па·с l=0.012м r=10-3м h=0,3м V=10-5м3

t-?

Решение:

Из формулы Пуазейля:

, где .

Тогда:

Заключительная часть

Задаётся задание на самостоятельное решение:

«Сборник задач по курсу физики.»

№1.216; 1.218; 1.233; 1.238

Тема 5.1 Механические гармонические колебания.

Маятники. Сложение колебаний.

I. Цель практического занятия:

1.  Закрепить и углубить знания теоретических вопросов, основных понятий и формул, способов расчёта.

2.  Учится применять полученные знания для решения задач по данной теме.

II. Расчёт учебного времени:

Содержание занятия:

Время (мин.)

Вступительная часть: Объявление темы и цели занятия Контрольный опрос: Уравнение гармонических колебаний. Скорость и ускорение при гармонических колебаниях. Энергия колеблющейся точки. Периоды колебаний: а)  пружинного б)  физического в)  математического маятников. Сложение двух гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Уравнение траектории движения точки, участвующей в двух взаимно перпендикулярных колебаниях одинаковой частоты. Основная часть: Решение задач: по определению характеристик гармонических колебаний; получению уравнений гармонических колебаний; на расчёт периодов пружинного, физического и математического маятников; с использованием формул сложения колебаний. Заключительная часть: Подведение итогов занятия, объявление задания на самостоятельное решение.

10 70 10

Контрольный опрос:

1. 

ν =начальная фаза.

2. 

3.  кинетическая;

потенциальная;

полная энергия.

4.   

а)  , - жесткость пружины;

б)  ;

I – момент инерции маятника относительно оси колебания;

d – расстояние между точкой подвеса и центром масс.

- приведенная длина физического маятника.

в) 

5.  Амплитуда результирующего колебания: Начальная фаза результирующего колебания:

6. 

Основная часть:

Пример №1

Материальная точка совершает гармонические колебания согласно уравнению , м. определить:

1) амплитуду колебаний; 2) период колебаний; 3) начальную фазу колебаний; 4) максимальную скорость точки; 5) максимальное ускорение точки; 6) через сколько времени после начала отсчёта точка будет проходить через положение равновесия.

Дано: ,м

А-? Т-?

Решение:

1)  А=0,02 м

2)  ; .

3) 

4)  ; м/с

5) 

м/с2

6) , тогда:

;

Пример №2

Материальная точка, совершающая гармонические колебания с частотой Гц, в момент времени t=0 проходит положение, определяемое координатой м, со скоростью м/с. Определить амплитуду колебаний.

Дано: Гц м м/с

А-?

Решение:

Поделим выражения: ,

Тогда:

Из тригонометрического тождества:

, тогда

Т. к. , то м

Пример №3

Полная энергия Е гармонически колеблющейся точки равна

10 мкДж, а максимальная сила Fmax, действующая на точку, равна

-0,5 мН. Написать уравнение движения этой точки, если период Т колебаний равен 4 с, а начальная фаза =.

Дано: Дж Н

Решение:

Т. к. ;

, тогда м

,

Тогда: , м

Пример№4

Материальная точка колеблется согласно уравнению , где А=5см и когда возвращающая сила F в первый раз достигает значения -12мН, потенциальная энергия П точки оказывается равной 0,15 мДж. Определить: 1) момент времени t;

2) соответствующую этому моменту фазу.

Дано: м Н Дж

Решение:

Тогда:

и

Пример №5

На горизонтальной пружине жёсткостью k=800 Н/м укреплён шар массой М=4 кг, лежащий на гладком столе, по которому он может скользить без трения. Пуля массой m=10 г, летящая с горизонтальной скоростью =600 м/с и имеющая в момент удара скорость направленную вдоль оси пружины, попала в шар и застряла в нём. Пренебрегая массой пружины и сопротивлением воздуха, определить: