Физика (стр. 1 )

Государственный комитет РФ по высшему образованию

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Факультет заочного обучения

Кафедра физики

физика

Методические указания и контрольные задания

для студентов-заочников

инженерно-строительных специальностей

ВолгГАСУ

часть II

Волгоград 2006

Введение

Учебная работа студента-заочника по изучению курса физики включает в себя:

·  Изучение теоретического материала;

·  Решение задач контрольных работ

·  Выполнение лабораторных работ и отчет по ним

·  Сдачу зачета и экзамена

·  Для изучения теоретического материала выберите один из рекомендованных учебников и разберите по нему вопросы программы. Если выбранный учебник не дает полного ответа на соответствующий вопрос программы, обратитесь к другим доступным источникам, в том числе, можно пользоваться и многотомными учебниками, учебными и методическими пособиями.

Ответьте на вопросы для самоконтроля и составьте краткую запись ответов, поскольку они понадобятся вам при решении задач контрольной работы.

·  Приступая к решению задач, внимательно прочитайте условие, выясните, какие величины даны, какие нужно определить. Перепишите текст задачи, включая числовые значения данных Вашего варианта и определяемые в Вашем варианте величины.

Необходимые данные для каждого варианта приведены в таблице после текста задачи.

Если нужно определить не все указанные в задаче величины, то требуемые для отдельного варианта величины отмечены в таблице знаком «?».

·  Ответьте на вопросы для самоконтроля в порядке, указанном в примечании к задаче. Запишите краткие ответы на них – они фактически являются пояснениями к задаче.

Запишите краткое условие задачи – выпишите обозначения и числовые значения данных и искомые величины. Обратите внимание, чтобы все данные были выражены в единицах системы СИ. Сделайте чертеж (если это необходимо) и, пользуясь ответами на вопросы для самоконтроля, решите задачу в общем виде, проверьте размерность полученного результата. После этого подставьте численные данные своего варианта в полученную формулу и вычислите результат.

·  Контрольные работы должны быть решены и отосланы до начала сессии.

·  Лабораторные работы выполняются во время занятий в течение сессии.

·  Для допуска к экзамену необходимо получить зачет по контрольным работам, выполнить и отчитаться по всем лабораторным работам.

Рекомендуемая литература

1.  Трофимова физики. М.: Высш. Шк., 1985,2003.

2.  , Детлаф по физике. М.: Наука, 1985,2001

Рабочая программа курса физики для студентов ОЗО

Часть 2

1.  Магнитная индукция. Законы Ампера и Лоренца. Закон Био – Савара – Лапласа.

2.  Закон полного тока. Магнитный поток. Теорема Остроградского – Гаусса. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.

3.  Основной закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

4.  Явление самоиндукции. Экстратоки замыкания и размыкания. Применения явления в технике.

5.  Явление взаимной индукции. Трансформаторы.

6.  Магнитные моменты электронов и атомов вещества. Типы магнетиков. Намагниченность. Магнитная проницаемость и восприимчивость среды. Спиновая природа ферромагнетизма.

7.  Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Материальные уравнения.

8.  Гармонический осциллятор: пружинный маятник и колебательный контур. Квазистационарные токи. Свободные незатухающие колебания, дифференциальные уравнения и их решения.

9.  Свободные затухающие колебания, дифференциальные уравнения и их решения. Основные характеристики затухающих механических и электромагнитных колебаний.

10.  Вынужденные колебания, дифференциальные уравнения и их решения. Явление резонанса и его использование в технике.

11.  Механические волны, Волновое уравнение и его решение. Длина волны, фазовая скорость. Энергия волны, поток энергии.

12.  Интерференция и дифракция волн. Звуковые волны.

13.  Принцип суперпозиции волн. Образования стоячей волны.

14.  Механизм образования электромагнитных волн. Волновое уравнение и его решение. Основные свойства электромагнитных волн. Энергия волн и вектор Пойтинга.

15.  Интерференция света. Когерентность и монохромотичность. Оптическая разность хода волн. Условия наблюдения интерференционных минимумов и максимумов.

16.  Интерференция света в тонких плёнках. Использование явления интерференции в технике.

17.  Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии.

18.  Дифракция Фраунгофера на щели и дифракционной решетке. Дифракция рентгеновских лучей.

19.  Дисперсия света. Области нормальной и аномальной дисперсии. Основные положения классической электронной теории дисперсии света. Физический смысл спектрального разложения.

20.  Поглощение света. Закон Бугера. Цвета тел и спектры поглощения. Рассеяние света.

21.  Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Бугера. Естественное и искусственное двойное лучепреломление света.

22.  Равновесное тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Квантовая гипотеза и формула Планка.

23.  Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Фотоны. Их масса и импульс. Эффект Комптона. Давление света. Корпускулярно-волновой дуализм.

24.  Гипотеза де-Бройля и ее экспериментальное подтверждение. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Волновая функция и ее статистический смысл.

25.  Понятие о стационарном состоянии Операторы физических величин. Решение уравнения Шредингера для свободной частицы и частицы в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Квантование энергии и импульса частицы. Туннельный эффект.

26.  Квантовые числа электронов с атоме. Принцип Паули.

27.  Квантово-механическая модель водородоподобного атома. Энергетические уровни молекул. Спектры атомов и молекул.

28.  Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры. Элементы Фурье-оптики. Понятие о голографии.

29.  Фермионы и бозоны. Распределение электронов проводимости в металле по энергиям при абсолютном нуле. Энергия ферми. Влияние температуры на распределение электронов. Электропроводимость металлов. Сверхпроводимость.

30.  Фотонный и фононный газы. Распределение фононов по энергиям. Теплоёмкость кристаллической решетки.

31.  Энергетические зоны в кристаллах. Распределение электронов по энергетическим зонам. Металлы и диэлектрики по зонной теории.

32.  Полупроводники по зонной теории. Собственная и примесная проводимость. р-n переходы. Применение полупроводников.

33.  Ангармонический осциллятор. Теплоёмкость твёрдых тел.

34.  Понятие о квантовой теории теплоёмкости и теплопроводности твёрдых тел.

35.  Состав ядра. Основные характеристики ядер.

36.  Дефект массы и энергия связи.

37.  Понятие о природе и свойствах ядерных сил. Модели ядра.

38.  Закономерности a-, b-, и g-излучений. Ядерные реакции и законы сохранения.

39.  Реакции деления тяжелых ядер и реакции термоядерного синтеза. Понятие о ядерной энергетике.

40.  Классификация элементарных частиц. Основные свойства частиц и их взаимопревращаемость.

41.  Фундаментальные взаимодействия. Понятие об основных проблемах современной физики.

Контрольная работа №4

Магнитное поле. Электромагнитная индукция

Вопросы для самоконтроля.

1.  Чем создается магнитное поле? Характеристики магнитного поля.

2.  Как определяется направление векторов магнитной индукции и напряженности магнитного полей?

3.  Принцип суперпозиции магнитных полей.

4.  Закон Био-Савара-Лапласа. Применение закона для вычисления индукции и напряженности магнитного поля прямого тока, кругового тока, соленоида.

5.  Связь между напряженностью и индукцией магнитного поля.

6.  Что называется магнитной проницаемостью вещества?

7.  Единицы измерения индукции и напряженности магнитного поля.

8.  Как проводятся магнитные силовые линии?

9.  Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Сила взаимодействия параллельных проводников с током.

10.  Сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле.

11.  Поток вектора магнитной индукции. Единицы измерения.

12.  Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

13.  Явление электромагнитной индукции. Основной закон электромагнитной индукции.

14.  Самоиндукция. ЭДС самоиндукции.

15.  Индуктивность. Единицы индуктивности. Индуктивность соленоида.

16.  Токи при замыкании и размыкании электрической цепи. Энергия магнитного поля.

Пример решения и оформления задачи.

Пусть для какого-либо варианта выписано условие задачи:

По двум параллельным бесконечно длинным проводникам, находящимся на расстоянии 5 см друг от друга, протекают токи по 10 А в противоположных направлениях. Определить индукцию и напряженность магнитного поля в точке, находящейся на расстоянии 3 см от каждого проводника; силу взаимодействия между проводниками с током, приходящуюся на 1 м длины проводника.

Вопросы для самоконтроля: 1, 2, 3, 4, 5, 9.

Ответим на вопросы для самоконтроля:

Вопрос 1. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Основными характеристиками магнитного поля являются: вектор магнитной индукции и вектор напряженности магнитного поля .

Вопрос 2. Направление векторов и определяется по правилу правого винта. Если поступательное движение винта совпадает с направлением тока, то направление вращения совпадает с направлением магнитных силовых линий. (линий напряженности). Векторы и направлены по касательной к силовым линиям поля в каждой точке.

Вопрос 3. Если магнитное поле образовано несколькими токами то, согласно принципу суперпозиции, индукция (напряженность ) магнитного поля равна векторной сумме индукций (напряженностей ) полей, образованных в этой точке каждым полем в отдельности: ()

Вопрос 4. Индукция магнитного поля элемента тока определяется законом Био-Савара-Лапласа. Для нахождения индукции магнитного поля проводника с током нужно воспользоваться принципом суперпозиции. Тогда численное значение индукции магнитного поля бесконечно длинного проводника с током , где - сила тока в проводнике, - расстояние от рассматриваемой точки до проводника.

Вопрос 5. Индукция магнитного поля и напряженность магнитного поля связаны соотношением , где - магнитная проницаемость вещества, - магнитная постоянная.

Вопрос 9. Сила взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым течет ток, , где - относительная магнитная проницаемость; - магнитная постоянная; и - сила тока в проводниках; - длина проводников; - расстояние между проводниками.

Выпишите кратко численные данные задачи в системе СИ и величины, которые нужно определить. Затем приступайте к решению задачи.

 

Покажем на рисунке направления магнитных силовых линий и направления векторов и индукций магнитных полей, созданных токами и . Для этого через точку С проводим магнитные силовые линии. Это окружности с центрами на соответствующих токах. Направления магнитных силовых линий определяются по правилу правого винта. Касательные к окружностям дают направления векторов и . Индукция суммарного магнитного поля . Величина может быть найдена из заштрихованного треугольника по теореме Пифагора: (1).

Индукция, создаваемая каждым током в точке: ; , так как . Согласно условию, , , следовательно , тогда (1) принимает вид:  (2).

Из находим, что . Однако, как углы со взаимно перпендикулярными сторонами. Учитывая, что , получим: , то есть . Подставляя в (2), имеем:

.

Напряженность магнитного поля .Сила взаимодействия между проводником с током . Подставляя численные значения, имеем:

; ; .

Ответ:

Задание к контрольной работе №4

Задача 1

Два бесконечно длинных проводника с токами и расположены перпендикулярно плоскости чертежа так, что координаты их пересечения с плоскостью чертежа и . Определите величину и направление векторов индукции и напряженности магнитного поля в точке ; величину и направление силы взаимодействия между проводниками, приходящуюся на 1 м длины проводника. Данные для каждого варианта указаны в таблице (в т. ч. направления токов:

- ток направлен к наблюдателю; - ток направлен от наблюдателя).

№ вар.	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
	2	9	1	7	3	2	3	10	7	5
	6	3	5	4	1	8	6	2	7	8
	2,2	4,2	3,4	4,3	1,5	4,2	2,8	0,2	3,7	2,8
	2,10	4,6	10,10	9,8	10,5	10,9	10,8	8,9	8,2	6,8
	2,6	4,9	10,4	7,6	7,5	4,9	5,8	5,6	8,7	10,8

Y, см

Пояснение. Необходимые расстояние между проводниками и рассматриваемой точкой можно найти либо координатным методом, либо графически. Во втором случае на миллиметровой бумаге постройте оси координат в масштабе 1:1. Отметьте на координатной сетке положения проводников и направления токов, положение точки, в которой необходимо определить индукцию и напряженность поля. Измерьте нужные расстояния линейкой с миллиметровой шкалой. Полученные величины используйте в задаче, предварительно переведя их в метры. Например, пользуясь рекомендацией, определим, что расстояния между проводниками с током равны: ; ; .

Вопросы для самоконтроля: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Задача 2

Соленоид представляет собой тонкостенный немагнитный цилиндр диаметром и длиной на поверхности которого плотно, виток к витку намотана тонкая проволока диаметром и удельным сопротивлением . Крайние витки проводника подключаются к источнику, ЭДС которого и внутренне сопротивление . На соленоид одето замкнутое кольцо диаметром из одного витка той же проволоки, что и обмотка соленоида.

Определите: