Методические указания и контрольные задания по физике для студентов всех специальностей ускоренной формы обучения (стр. 1 )

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно - строительный университет

Кинематика. Динамика поступательного движения. Молекулярная физика
и термодинамика. Законы постоянного тока. Электромагнитная индукция.

Колебания и волны.

Методические указания и контрольные задания по физике для студентов всех специальностей ускоренной формы обучения

Воронеж - 2008

Составитель

УДК 53.07

Кинематика. Динамика поступательного движения. Молекулярная физика и термодинамика. Законы постоянного тока. Электромагнитная индукция. Колебания и волны: Методические указания и контрольные работы по физике для студентов заочного факультета специальности ЭУС /Воронеж гос. арх.-строит. ун-т; Сост.: доц. ; Под ред. проф. – Воронеж, 2008 – 60 стр.

Настоящие методические указания предназначены для студентов заочного факультета. Приведены условия задач для выполнения контрольных работ с разбивкой по вариантам, содержится краткий материал по темам «Кинематика», «Динамика поступательного движения», «Молекулярная физика и термодинамика», «Законы постоянного тока», «Электромагнитная индукция», «Колебания и волны. Фотоэффект. Волна де-Бройля».

Ил.: 4. Табл.: 1. Библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Рецензент – , проф., докт. физ.-мат. наук, кафедра ВМФММ, ВГТУ.

Общие методические указания

Физика относится к числу естественных наук. Предметом физики является изучение наиболее общих свойств материи, т. е. вещества и поля, и наиболее общих закономерностей и форм ее движения.

Физика определяет законы, которыми пользуются все остальные естественные науки и техника, применяя их для отдельных частных случаев.

Изучение физики в высших учебных заведениях преследует двоякую цель: 1) расширить кругозор учащихся и способствовать развитию у них миропонимания; 2) подготовить их к сознательному изучению смежных с физикой дисциплин.

Учебная работа студента-заочника складывается из следующих основных элементов: самостоятельного изучения физики по учебным пособиям, выполнения контрольных работ, посещения и проработки обзорных лекций в период сессий, прохождения лабораторного практикума, сдачи зачетов и экзаменов.

Контрольные работы призваны закрепить усвоение теоретического материала. Самостоятельное выполнение контрольных заданий способствует более глубокому пониманию курса физики и закреплению его в памяти.

Контрольная работа по содержанию распределяются следующим образом: 1 – кинематика; 2 – динамика поступательного движения, законы сохранения; 3 – теплоемкость и работа теплового двигателя; 4 – конденсаторы и постоянный ток; 5 – сила Ампера, работа в магнитном поле. Закон индукции Фарадея; 6 – колебания и волны (общие свойства). Фотоэффект и волна де-Бройля.

Перед выполнением контрольной работы студенту необходимо внимательно ознакомиться с основными формулами и разобрать примеры решения задач.

Определение варианта и номеров задач контрольной работы проводится по таблице вариантов.

При выполнении контрольной работы обязательно соблюдать следующие правила:

1)  условия задач своего варианта переписывать полностью;

2)  сделать краткую запись условия, при этом числовые данные перевести в одну систему единиц (преимущественно в СИ);

3)  выполнить аккуратно чертеж, рисунок или схему, поясняющие описанный в задаче процесс;

4)  решение задачи сопровождать краткими и ясными комментариями используемых физических законов и формул;

5)  решив задачу в общем виде, желательно проверить ответ по равенству размерностей левой и правой части расчетной формулы;

6)  в полученную расчетную формулу подставить числовые данные и оценить правдоподобность ответа;

7)  оставлять поля для замечаний преподавателя – рецензента контрольной работы;

8)  на титульном листе указывать номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес.

Контрольные работы, представленные без соблюдения указанных выше правил оформления, а также работы, выполненные не по своему варианту, приниматься на рецензию не будут.

На повторное рецензирование работу обязательно представлять с первой рецензией.

Таблица вариантов

Номер варианта	Номера задач в контрольной работе
Тема №1	Тема №2	Тема №3	Тема №4	Тема №5	Тема №6
1	2	18	18	1	17	2
2	5	20	32	4	34	5
3	3	21	25	8	18	10
4	8	19	27	16	36	16
5	1	11	33	15	19	29
6	7	9	24	3	38	34
7	6	10	16	10	20	39
8	4	12	28	14	34	40
9	2	14	29	7	21	37
10	8	15	30	9	42	32

1. Кинематика. Динамика поступательного движения

1.1. Законы и формулы к выполнению задачи №1 и №2

При изучении основ классической механики следует помнить, что предметом классической механики является движение макроскопических тел, совершаемое со скоростями , где – скорость света в вакууме. Движение тел со скоростями рассматривается в теории относительности, а движение микрочастиц – в квантовой механике.

Решая задачи по кинематике, где приходится определять мгновенные скорость и ускорение по заданным пути или координатам в зависимости от времени, студент должен уметь использовать математический аппарат дифференциального исчисления.

Динамика поступательного движения требует знания таких вопросов, как второй и третий законы Ньютона, закон движения центра масс механической системы, закон сохранения импульса и механической энергии, связь кинетической энергии с работой сил, приложенных к системе. Тщательного изучения и понимания требуют вопросы о силовом поле, о потенциальной энергии тела в силовом поле.

Кинематика и динамика вращательного движения предполагают знание соотношений между линейными и угловыми характеристиками, понятий момента силы и момента инерции тела, закона сохранения момента импульса, энергии вращательного движения.

Кинематика

Поступательное движение

1.  Уравнение движения материальной точки (или центра масс абсолютно твердого тела) вдоль оси : , где – некоторая функция времени.

2.Средняя скорость:

3.Средняя путевая скорость:

где – величина пути, пройденного телом за интервал времени ; , так как в отличие от разности координат не может убывать и принимать отрицательные значения, т. е. .

4. Мгновенная скорость (скорость в данный момент времени): .

5. Среднее ускорение: , где – изменение скорости за интервал времени .

6. Мгновенное ускорение (ускорение в данный момент времени): .

7.Тангенциальное ускорение: .

8.Нормальное ускорение: , где – радиус кривизны траектории.

9. Полное ускорение: .

10. Угол между полным ускорением и тангенциальным : .

Динамика

Поступательное движение

11. Импульс материальной точки (твердого тела): , где – масса.

12.  Второй закон Ньютона:

,

где – геометрическая сумма сил, действующих на тело.

Дифференциальная форма записи второго закона: .

13.  Третий закон Ньютона: ,

где – сила, действующая на первое тело со стороны второго, а – сила, действующая на второе тело со стороны первого.

14.  Силы в механике:

а) сила упругости , где – величина упругой деформации тела,

– коэффициент упругости;

б) сила гравитационного взаимодействия (закон всемирного тяготения):

,

где – гравитационная постоянная (= 6,67), и – массы взаимодействующих тел; – расстояние между телами (при этом тела принимаются за материальные точки);

в) сила тяжести , где – ускорение свободного падения;

г) сила трения (скольжения): , где – коэффициент трения, – сила нормального давления.

15.   Закон сохранения импульса изолированной системы тел: .

16.  Работа постоянной силы: , где – перемещение тела под действием силы , – угол между направлением силы и направлением перемещения.

17.  Кинетическая энергия тела: , или , где – импульс тела.

18.  Связь силы и потенциальной энергии: , где – потенциальная энергия.

19.  Потенциальная энергия:

а) упругодеформированной пружины: , где – жесткость пружины, – величина деформации;

б) гравитационного взаимодействия: ,

в) тела, находящегося в однородном поле силы тяжести: ,

где – высота тела над уровнем, принятым за нулевой (имеется при этом в виду, что , где – радиус Земли).

20.  Закон сохранения механической энергии:

(– полная энергия изолированной системы).

21.   Связь работы внешних сил и полной энергии системы: ,

где – изменение полной энергии системы под действием внешних сил.

1.2 Примеры решения задач

Пример 1. Движения двух тел заданы уравнениями и (координата – в метрах, время – в секундах). В какой момент времени скорости этих тел будут одинаковыми? Чему равны скорости и ускорения тел в этот момент?

Дано:

Найти: ; ;; ; .

Решение. Мгновенная скорость есть первая производная от координаты по времени. Следовательно, ; . По условию , т. е. , откуда (скорости тел одинаковы в начальный момент времени). Подставляя в выражения скоростей тел, получим:

Ускорение есть первая производная от скорости по времени. Значит, для тел имеем:

Отсюда ясно, что ускорения тел от времени не зависят и остаются постоянными во все время движения.

Пример 2. Тело вращается вокруг неподвижной оси по закону

, где А=10 , В=20 с-1 , С= –2 с-2. Найти полное ускорение точки тела, находящейся на расстоянии=0,1 м от оси вращения, для момента времени =4 с.

Рис. 1

Дано:;=20 ; =20 с-1 ;

= -2 с-2 ; =0,1м; = 4с.

Найти: .

Решение: Полное ускорение точки, движущейся по кривой линии, определяется как геометрическая сумма тангенциального и нормального

ускорений: .

Из рис.1 видно, что величина полного ускорения =, где ; (w и -угловая скорость и угловое ускорение).

Подставляя и аn в выражение для полного ускорения, получаем:

Но w =, а =. Следовательно, w = B + 2Сt,

= 2C.