Предисловие (стр. 1 )

Предисловие

Цель настоящего учебного пособия – оказать помощь в изучении курса физики студентам, обучающимся по дистанционным технологиям.

В пособии изложена рабочая программа курса, соответствующая государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования, приведены темы контрольных работ, план-график учебного процесса, даны указания по решению задач и оформлению контрольных работ.

Материал курса распределен на шесть разделов:

1) физические основы механики;

2) статистическая физика и термодинамика;

3) электростатика и постоянный ток;

4) электромагнетизм и электромагнитные колебания;

5) оптика;

6) физика атомов, атомного ядра и элементарных частиц, основы квантовой механики.

В каждом разделе даны основные формулы, примеры решения задач, задачи для самостоятельного решения и варианты контрольных заданий.

Задачи для самостоятельного решения и контрольных работ взяты из следующих источников:

1.  Сборник задач для коллоквиумов и экзаменов [Электронный ресурс] / Сост. , . – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. – 1,26 Мб. 16 ЭИ.

2.  Сборник задач по физике [Электронный ресурс] / Сост. -кий, . – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. – 0,827 Мб. 15 ЭИ.

Таблицы значений физических величин в электронном виде любезно предоставлены .

Авторы выражают благодарность и другим коллегам кафедры «Физика» КГТУ за замечания, позволившие значительно улучшить содержание пособия.

ПРОГРАММА КУРСА

Цель и задачи курса

Изучение основных физических явлений, фундаментальных понятий, законов и теорий классической и современной физики; овладение методами физического исследования, приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики; формирование научного мировоззрения и современного физического мышления, а также навыков проведения физического эксперимента, умения выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах будущей специальности; ознакомление с современной научной аппаратурой.

ВВЕДЕНИЕ

Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Физика как культура моделирования. Общая структура и задачи курса физики.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

Элементы кинематики

Пространственно-временные отношения. Система отсчета. Скалярные и векторные физические величины. Физические модели: материальная точка (частица), система материальных точек, абсолютно твердое тело, сплошная среда. Кинематическое описание движения. О смысле производной и интеграла в приложении к физическим задачам.

Прямолинейное движение точки. Движение по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Нормальное и касательное ускорения.

Элементы динамики

Понятие состояния частицы в классической механике. Основная задача динамики. Первый закон Ньютона и понятие инерциальной системы отсчета. Уравнения движения. Масса и импульс. Второй закон Ньютона как уравнение движения. Сила как производная импульса. Третий закон Ньютона и закон сохранения импульса. Современная трактовка законов Ньютона. Границы применимости классического способа описания движения частиц (волновые свойства частиц и релятивистские скорости).

Законы сохранения в механике

Закон сохранения импульса как фундаментальный закон природы. Центр инерции. Система центра инерции. Теорема о движении центра инерции. Реактивное движение. Закон сохранения импульса как фундаментальный закон природы. Момент импульса. Момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса. Закон всемирного тяготения. Движение в центральном поле. Законы Кеплера.

Работа. Мощность. Кинетическая энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия и энергия взаимодействия. Внутренняя энергия. Закон сохранения энергии в механике.

Общефизический закон сохранения энергии. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.

Принцип относительности в механике

Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Инварианты преобразований. Описание движения в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. Эквивалентность инертной и гравитационной масс.

Элементы релятивистской динамики

Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия. Релятивистский импульс. Инвариантность уравнений движения относительно преобразований Лоренца.

Работа и энергия в релятивистском случае. Полная кинетическая энергия и энергия покоя частицы.

Четырехмерный вектор энергии-импульса частицы. Закон сохранения четырехмерного вектора энергии-импульса. Столкновение релятивистских частиц.

Элементы механики твердого тела

Уравнения движения и равновесия твердого тела. Понятие статически неопределенных систем. Уравнение движения твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Момент инерции твердого тела относительно оси. Энергия вращающегося тела. Вращательный момент. Гироскопы.

Элементы механики сплошных сред

Общие свойства газов и жидкостей. Кинематическое описание движения жидкости. Уравнения движения и равновесия жидкости. Идеальная жидкость. Стационарное течение идеальной жидкости.

Уравнение Бернулли. Вязкая жидкость. Силы внутреннего трения. Стационарное течение вязкой жидкости. Законы гидродинамического подобия. Гидродинамическая неустойчивость. Понятие о турбулентности.

Идеально упругое тело. Упругие деформации и напряжения.

Закон Гука. Пластические деформации. Предел прочности.

ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН

Общие представления о колебательных и волновых процессах. Единый подход к описанию колебаний и волн различной физической природы.

Кинематика гармонических колебаний

Характеристики гармонических колебаний. Векторные диаграммы. Комплексная форма представления гармонических колебаний.

Фазовая плоскость. Сложение скалярных и векторных колебаний. Биения. Фигуры Лиссажу.

Гармонический осциллятор

Движение системы вблизи устойчивого положения равновесия. Модель гармонического осциллятора. Примеры гармонических осцилляторов: физический маятник, математический маятник, пружинный маятник и т. д. Уравнения динамики свободных незатухающих колебаний. Энергетические соотношения для гармонического осциллятора. Фазовая плоскость осциллятора.

Затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент, добротность.

Вынужденные колебания осциллятора под действием периодической силы. Резонанс. Процесс установления колебаний и его связь с добротностью.

Осциллятор как спектральный прибор. Параметрические колебания.

Понятие о связанных гармонических осцилляторах. Нормальные колебания (моды).

Ангармонические колебания

Нелинейный осциллятор. Физические системы, содержащие нелинейность. Автоколебания. Обратная связь. Условие самовозбуждения колебаний. Роль нелинейности. Фазовая плоскость генератора. Предельные циклы. Аттракторы. Понятие о релаксационных колебаниях.

Волновые процессы

Типы волн. Фазовая скорость, длина волны, волновое число. Одномерное волновое уравнение. Интерференция волн. Стоячие волны.

Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах. Энергетические характеристики упругих волн. Вектор Умова. Поведение звука на границе раздела двух сред. Эффект Доплера. Понятие об ударных волнах.

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Статистические и термодинамические методы исследования

Методы описания систем с большим числом частиц. Макроскопические параметры. Уравнение состояния. Тепловое хаотическое движение молекул. Идеальный газ. Уравнение состояния и внутренняя энергия идеального газа. Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Молекулярно-кинетический смысл температуры.

Кинетическая теория газов

Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Функция распределения молекул по скоростям. Распределение Максвелла, его экспериментальная проверка. Распределение Гиббса; статистики Ферми – Дирака и Бозе – Эйнштейна.

Законы термодинамики

Тепловые процессы. Первое начало термодинамики. Теплоемкость многоатомных газов; ограниченность классической теории теплоемкостей. Второе начало термодинамики; статистический смысл энтропии. Цикл Карно, его КПД. Термодинамические функции и условия равновесия. Третье начало термодинамики (теорема Нернста), его следствия.

Явления переноса

Время релаксации, эффективное сечение рассеяния, длина свободного пробега. Общее уравнение переноса. Теплопроводность, вязкость, диффузия.

Реальные газы и пары

Фазы и фазовые превращения. Силы межмолекулярного взаимодействия.

Уравнения состояния реального газа. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние вещества. Метастабильные состояния. Эффект Джоуля –Томсона. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса. Условия равновесия фаз. Фазовые диаграммы. Фазовые переходы первого и второго рода.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Предмет классической электродинамики. Электрический заряд, его дискретность и закон сохранения электрического заряда. Идея близкодействия. Границы применимости классической электродинамики.

Электростатика

Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса, примеры ее применения. Работа электростатического поля. Циркуляция электростатического поля. Потенциал электростатического поля и его связь с напряженностью.

Идеальный проводник в электростатическом поле. Поверхностные заряды. Граничные условия на поверхности раздела «идеальный проводник – вакуум». Электростатическое поле в полости идеального проводника. Электростатическая защита. Электроемкость проводника, конденсатора.

Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.

Электростатическое поле в веществе

Плоский конденсатор с диэлектриком. Энергия электрического диполя во внешнем электростатическом поле.

Поляризация диэлектрика. Поляризационные заряды. Поляризованность. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость среды.