Министерство науки и образования РФ
Псковский государственный политехнический институт
В.В. Однобоков, Т.Н. Михайлусова, Н.И. Волокитина
ФИЗИКА
Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы образования всех специальностей вузов
Рекомендовано к изданию Научно-методическим советом Псковского государственного политехнического института
Псков
Издательство ППИ
УДК 53
ББК 22.3
Ф 50
Рекомендовано к изданию Научно-методическим советом
Псковского государственного политехнического института
Рецензенты:
- Ю. М. Смирнов, доктор технических наук, профессор Санкт- Петербургского государственного политехнического университета;
- А. Н. Верхозин, доктор физико-математических наук, профессор Псковского государственного политехнического института.
Однобоков В. В., Михайлусова Т.Н., Волокитина Н.И.
Ф 50 Физика: Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы образования всех специальностей вузов. Под общ. ред. к.т.н., доцента В.В. Однобокова, — Псков, Издательство ППИ, 2011.—151с.
Предназначено для преподавателей ведущих курс общей физики и студентов заочной формы высшего профессионального образования всех специальностей.
ISBN
© В. В. Однобоков, 2011
© Псковский государственный политехнический институт, 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ……………………………………………………………………….3
Общие методические указания ………………………………………………... 4
Понятие о физической картине мира … ……………………………………..7
Контрольные вопросы ч1 ………………………………………………………12
Контрольные вопросы ч2 ………………………………………………………14
Методические рекомендации при изучения курса физики ………………..16
Учебные материалы по разделам курса физики ……………………………30
Физические основы механики, молекулярной физики и
термодинамики...................................................................................................30
Основные формулы……………………………………………………….30
Примеры решения задач………………………………………………….47
Контрольная работа №1………………………………………………….55
1. Основы электродинамики ………………………………………………….64
Основные формулы……………………………………………………….64
Примеры решения задач………………………………………………….77
Контрольная работа №2…………………………………………………..88
3. Колебания. Волны. Оптика ………………………………………………...99
Основные формулы……………………………………………………….99
Примеры решения задач………………………………………………...114
Контрольная работа №3…………………………………………………120
4. Элементы атомной и ядерной физики и физики твёрдого тела ……...130
Основные формулы……………………………………………………...130
Контрольная работа №4………………………………………………....135
Приложения ……………………………………………………………………141
Литература …………………………………………………………………..…151
ПРЕДИСЛОВИЕ
Физика — наука о природе: о строении, свойствах и взаимодействии составляющих ее материальных тел и полей. Главная цель этой науки — выявить и объяснить законы природы, которые определяют все физические явления. Физика основывается на экспериментально установленных фактах. Занимая центральное место среди других естественных наук, она играет первостепенное значение в формирований научного материалистического мировоззрения.
Основными задачами курса физики в вузах являются:
1. Создание основ теоретической подготовки в области физики, позволяющей будущим специалистам ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающей возможность использования новых физических принципов в тех областях техники, в которых они специализируются.
2. Формирование научного мышления, в частности, правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов, теорий и умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или математических методов исследования.
3. Усвоение основных физических явлений и законов классической и современной физики, методов физического исследования.
4. Выработка приемов и навыков решения конкретных задач из разных областей физики.
Цель настоящего учебно-методического пособия — оказать помощь студентам-заочникам в изучении курса физики.
В пособии даны общие методические указания, экзаменационные вопросы, образцы решения задач и некоторые справочные материалы.
Сведения, связанные со спецификой изучения курса физики в ППИ, сообщаются студентам кафедрой физики дополнительно.
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедра физики организует чтение лекций, практические занятия и лабораторные работы. Процесс изучения физики состоит из следующих этапов:
1) проработка установочных и обзорных лекций;
2) самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;
3) выполнение контрольных работ;
4) прохождение лабораторного практикума;
5) сдача зачетов и экзаменов.
При самостоятельной работе над учебным материалом необходимо:
1) составлять конспект, в котором записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения основных физических понятий и сущность физических явлений и методов исследования;
2) изучать курс физики систематически, так как в противном случае материал будет усвоен поверхностно;
3) пользоваться каким-то одним учебником или учебным пособием (или ограниченным числом пособий), чтобы не утрачивалась логическая связь между отдельными вопросами, по крайней мере внутри какого-то определенного раздела курса.
Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал курса. В процессе изучения физики студент должен выполнить четыре контрольные работы. Решение задач контрольных работ является проверкой степени усвоения студентом теоретического курса, а рецензии на работу помогают ему доработать и правильно освоить различные разделы курса физики. Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами, приведенными в конце методических указаний. Прежде чем приступить к решению той или иной задачи, необходимо хорошо понять ее содержание и поставленные вопросы.
Контрольные работы распределены следующим образом:
1 — физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики;
2 — физические основы электродинамики; 3 — волновая оптика, квантовая природа излучения; 4 — элементы атомной, ядерной физики и физики твердого тела.
Первые три контрольные работы содержат по восемь задач. Вариант задания контрольной работы определяется в соответствии с последней цифрой шифра по таблице для контрольных работ. Если, например, последняя цифра 5, то студент решает задачи 5, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75.
Таблица вариантов
Контрольная работа №1,2,3,4 | |
Вариант | Номер задач |
1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71 2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72 3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73 4, 14, 24, 34, 44, 54, 64, 74 5, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75 6, 16, 26, 36, 46, 56, 66, 76 7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77 8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78 9, 19, 29, 39, 49, 59, 69, 79 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 |
Четвёртая контрольная работа выполняется в виде реферата объёмом не менее 20-ти страниц четвёртого формата. Вариант выбирается аналогично. Если, например, последняя цифра 5, то студент пишет реферат по теме № 5.
При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие правила:
1) указывать на титульном листе номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес;
2) контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;
3) задачу своего варианта переписывать полностью, а заданные физические величины выписать отдельно, при этом все числовые величины должны быть переведены в одну систему единиц;
4) для пояснения решения задачи там, где это нужно, аккуратно сделать чертеж;
5) решение задачи и используемые формулы должны сопровождаться пояснениями;
6) в пояснениях к задаче необходимо указывать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи;
7) при получении расчетной формулы для решения конкретной задачи приводить ее вывод;
8) задачу рекомендуется решить сначала в общем виде, т. е. только в буквенных обозначениях, поясняя применяемые при написании формул буквенные обозначения;
9) вычисления следует проводить с помощью подстановки заданных числовых величин в расчетную формулу. Все необходимые числовые значения величин должны быть выражены в СИ (см. справочные материалы);
10) проверить единицы полученных величин по расчетной формуле и тем самым подтвердить ее правильность;
11) константы физических величин и другие справочные данные выбирать из таблиц;
12) при вычислениях по возможности использовать микрокалькулятор, точность расчета определять числом значащих цифр исходных данных (обычно в результате следует оставлять три значащих цифры);
13) в контрольной работе следует указывать учебники и учебные пособия, которые использовались при решении задач.
Контрольные работы, оформленные без соблюдения указанных правил, а также работы, выполненные не по своему варианту, не зачитываются.
При отсылке работы на повторное рецензирование обязательно представлять работу с первой рецензией.
На экзаменах и зачетах в первую очередь выясняется усвоение основных теоретических положений программы и умение творчески применять полученные знания к решению практических задач. Физическая сущность явлений, законов, процессов должна излагаться четко и достаточно подробно; решать задачи необходимо без ошибок и уверенно. Любая графическая работа должна быть выполнена аккуратно и четко. Только при выполнении этих условий знания по курсу физики могут быть признаны удовлетворительными.
ПОНЯТИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЕ МИРА
Начать изучение курса общей физики целесообразно рассмотрением физической картины мира, которая позволяет проследить логику развития физики, эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления. Познание мира человеком есть диалектически сложный и противоречивый процесс, творческий по своему характеру.
По мере накопления экспериментальных данных постепенно создавалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом.
Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков, позволили И. Ньютону открыть и сформулировать фундаментальные законы механики — науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними.
Во времена Ньютона эти законы казались настолько всеобъемлющими, что были положены в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно твердых частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразие окружающего мира, по Ньютону, заключалось в различии движения частиц.
Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока в 1873 г. Дж. Максвеллом не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения механики Ньютона. В отличие от классической механики, где предполагается, что взаимодействие между телами осуществляется мгновенно (теория дальнодействия), теория Максвелла утверждала, что взаимодействие осуществляется с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме, посредством электромагнитного поля (теория близкодействия). Создание специальной теории относительности — нового учения о пространстве и времени дало возможность полностью обосновать электромагнитную теорию.
В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов, молекул и макроскопических тел. Это положение и легло в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все происходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью законов электродинамики. Однако объяснить строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось.
Первым шагом на пути построения новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 г.: атомы излучают энергию дискретными порциями, квантами.
А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами.
Следующим шагом явилась модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами.
Наконец, в 1924 г. Л. де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпускулярно-волнового дуализма. По существу, это была попытка синтезировать две физические картины мира — ньютоновскую (корпускулярную) и максвелловскую (полевую-волновую). Окончательно новая физическая теория – квантовая механика - приобрела завершенную форму, благодаря трудам Э. Шредингера.
Первоначально квантовая механика создавалась как теория электронных оболочек атомов. Дальнейший прогресс был достигнут благодаря объединению принципа квантования с принципами теории относительности. В результате удалось получить уравнение, наиболее справедливо отражающее свойства электрона, в частности, его специфическую квантовую характеристику, спин. Только с учетом спина и принципа Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в атоме в одном и том же состоянии, были раскрыты закономерности строения электронных оболочек атомов и объяснен периодический закон Менделеева.
В течение десятилетий физики считали главной задачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела, стали эпохальными для физики XX в.
Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда других частиц явилось продолжением научного штурма общих принципов структурной организации материи.
Рассуждения об элементарных частицах приводят к строению атомов и молекул, поскольку именно из них построен окружающий нас мир и мы сами. Атом обусловливает индивидуальность любого химического элемента. В ядро атома входят протоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов связывают их в молекулу. Ядра атомов тяжелых элементов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может идти и в обратном направлении. Из ядер атомов легких элементов могут образовываться ядра атомов более тяжелых элементов. Это происходит при термоядерных реакциях, которые протекают, например, в недрах звезд.
Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти элементарные структурные единицы материи.
Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотного состояния подсказывало другую постановку вопроса: что если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике так называемого «Большого взрыва»? Богатое разнообразие элементарных частиц, возникающих в ходе взаимодействий при высоких энергиях, практически не существует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Однако такое разнообразие могло существовать в начале «Большого взрыва» и, возможно, при том состоянии Вселенной, которое получило название сингулярность, т. е. состояние сверхплотного сжатия и гигантских температур. Вероятно, от него и ведут начало стабильные элементарные частицы, составляющие строительный материал Вселенной в теперешнем ее состоянии.
Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц по современным данным соответствуют четыре типа физических взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствует свое поле и кванты этого поля, т. е. взаимодействия обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц, как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Предпринимается попытка создать единую теорию всех взаимодействий.
Таким образом, свойства микрочастиц и их взаимодействий помогают понять эволюцию Вселенной, начиная с момента начала её расширения до наших дней.
С точки зрения современной физики все многообразие видов материи может быть сведено к существованию двух ее основных видов: вещества и поля.
Физические поля обладают свойством связывать элементарные частицы в атомы, молекулы, макротела, планеты и т. д.
Всякое изменение, происходящее в окружающем нас мире, представляет движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.
Познание мира — процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества понятия относительные и предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ