Я.Д. Лебедев
ПРОПЕДЕВТИЧЕСКИЙ КУРС ПО ФИЗИКЕ
Утверждено редакционно-издательским советом
в качестве учебного пособия
Вологда
УДК 53/075
ББК 223я73
Л33
Рецензенты: доктор педагогических наук, профессор, член-корреспондент РАО Ю.А. Сауров (г. Киров),
Лебедев, Я.Д.
Л33 Пропедевтический курс по физике: учебное пособие / Я.Д. Лебедев. – Вологда: ВоГТУ, 2013. – с.
Данный пропедевтический курс написан в соответствии с программой курса физики для технических специальностей в вузах и направлен на оказание помощи студентам в освоении физики высшей школы. Пособие включает содержание физики средней и высшей школы. Оно направлено на формирование у студентов понимания: знакового (словесного) языка и на его основе приобретение навыков построения моделей реальности; кодирования содержания курса через символический язык с целью перехода на язык математики и, владея навыками преобразования информации курса физики и математических действий, уметь получать оценочный результат.
Пособие предназначено для студентов факультета промышленного менеджмента и инновационных технологий.
УДК 53/075
ББК 223я73
© ВоГТУ 2013
© Лебедев Я.Д., 2013
предисловие
Пропедевтический курс физики для студентов факультета промышленного менеджмента и инновационных технологий представлен с целью оказания помощи в изучении основ физики высшей школе, который изучается со второго по четвёртый семестр (18/18/18; 16/16/16; 18/18/18). Такая необходимость возникла после того, когда обучение в школе достигло такого уровня, что будущие студенты технического вуза не владеют многими элементами знаний по математике, а вместе с этим и по физике. Причина здесь кроется не только в учащихся, но и в формируемой государством системе образования, что и подвигло авторов к таким действиям. Не последнюю роль сыграло и то, что существующие учебные пособия современное студенчество читать не только не хочет, но и не может. В связи с этим основная задача предлагаемого пособия, убедить студента в том, что он всё-таки может научиться читать техническую литературу. Естественно, при некотором напряжении с его стороны.
Читать техническую литературу нелегко. Человек, являясь универсальным инструментом, созданным Реальностью для очевидных целей, вынужден отражать её, Реальность, в знаках (словах), образах, символах и действиях. Всё это проявляется в концептуальном аппарате науки и заканчивается воздействием на Реальность. Физика не исключение, а математический аппарат, являющийся её языком, позволяет получать количественные оценки, заканчивающиеся преобразованием окружающей реальности. Причём не только с грубой материей.
Поскольку физика является прародительницей не только новых наук, но и новых отраслей производства, естественно желание освоить «языки» представления этого знания. Пропедевтический курс направлен на то, чтобы помочь студентам в освоении этих языков представления знания – языков мышления человека.
В пособие включены элементы содержания классической механики и термодинамики. Отведённое на пропедевтический курс число часов (16/16), даёт надежду на понимание связи языков представления содержания. Выбор материала позволяет надеяться на ознакомление и с основами дифференциально-интегрального исчисления. На лекциях поднимаются вопросы, способствующие пониманию реализации обозначенных желаний. На практических занятиях работа направлялась по их возможной практической реализации. Всё это должно подкрепляться самостоятельной работой студента над домашними заданиями по решению задач. Задания содержат методическое обеспечение, направленное на оказание помощи в понимании условия задачи и нахождения возможных путей её решения при использовании упомянутых языков мышления. Для дистанционного обучения подготовлены подсказки пошаговые, до конечного решения.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Кинематика поступательного и вращательного движения 5
1.1. Предмет физики. Связь физики с другими науками 5
1.2. Прямолинейное равномерное движение 6
1.3. Прямолинейное равнопеременное движение 11
1.4. Вращательное движение 12
2. Динамика Ньютона 15
2.1. Современная трактовка законов Ньютона 15
2.2. Силы в механике. Практическое применение законов Ньютона 18
2.3. Понятие механического состояния. Работа. Мощность. Энергия 23
2.4. Законы сохранения в механике. Условия равновесия 26
3. Гармонические колебания. Волновые процессы 29
3.1. Сведения о колебаниях. Гармонические колебания 29
3.2. Уравнение колебания. Скорость. Ускорение. Квазиупругая сила 31
3.3.Связь параметров колебательной системы с периодом колебаний.
Энергия колебательной системы с одной степенью свободы 33
3.4. Понятие сплошной среды. Колебания в сплошных средах. Понятие волны.
Основные определения. Уравнение волны. 35
4. Элементы механики сплошных сред: жидкости и газы 40
4.1. Давление в жидкости и газе. Выталкивающая сила 40
4.2. Неразрывность потока. Уравнение Бернулли 43
4.3. Давление под искривлённой поверхностью жидкости. Капиллярные явления 47
5. Тепловые явления. Термодинамический и статистический методы исследования 50
5.1. Термодинамический и статистический методы исследования.
Давление и внутренняя энергия идеального газа 50
5.2. Распределение энергии по степеням свободы. Закон парциальных давлений 53
5.3. Барометрическая формула 55
6. Термодинамика. Первое начало термодинамики 59
6.1. Некоторые общие понятия термодинамики 59
6.2. Внутренняя энергия термодинамической системы. Первое начало термодинамики 61
6.3. Работа в термодинамике 63
7. Изопроцессы и первое начало термодинамики 65
7.1. Внутренняя энергия и теплоёмкость идеального газа 65
7.2. Изопроцессы в идеальном газе; теплоёмкость газов 66
7.3. Адиабатический процесс 71
8. Круговые процессы 74
8.1. Замкнутые циклы. К.П.Д. цикла 74
8.2. Цикл Карно. К.П.Д. цикла. Второе начало термодинамики 76
8.3. Понятие энтропии 79
9. Библиографический список 84
1. Введение. Кинематика поступательного
И вращательного движения
Предмет физики. Связь физики с другими науками
Приступая к изучению пропедевтического курса, следует ясно себе представлять, физика изучает окружающий нас мир. Он материален и состоит из вечно существующей и непрерывно движущейся материи. Материей принято называть всё, что реально существует в природе и может быть обнаружено человеком посредством органов чувств или с помощью специальных приборов, расширяющих возможности восприятия. Конкретные виды материи многообразны: элементарные частицы; совокупности небольшого числа частиц (атомы, молекулы); физические тела (совокупности множества этих частиц); физические поля (гравитационное, электромагнитное), посредством которых взаимодействуют различные материальные частицы.
Неотъемлемым свойством материи является движение. Под ним подразумеваются все изменения и превращения материи, все процессы, протекающие в природе. Философское определение материи строже и может быть представлено так: «Движение, как форма бытия материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во Вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением».
Разнообразные формы движения материи исследуются различными науками, в том числе и физикой. Физическая форма движения материи является простой и вместе с тем наиболее общей формой движения материи и включает в себя механические, атомно-молекулярные, гравитационные, электромагнитные внутриатомные и внутриядерные процессы. Эти разновидности физической формы движения являются общими потому, что содержатся во всех более сложных формах движения материи, изучаемых другими науками. Например, процессы жизнедеятельности организмов, изучаемые биологией, сопровождаются механическими, электрическими, внутриатомными и другими физическими процессами, но не сводятся к этим процессам. Это позволяет утверждать, предмет физики составляют общие закономерности явлений природы.
Этим связь физики с другими науками не исчерпывается. Физика позволяет создавать приборы и вырабатывать методы исследования, необходимые для развития естественных и прикладных наук. Например, микроскоп в биологии, телескоп в астрономии, спектральный анализ в химии, рентгеновский анализ в медицине. Все естественные и прикладные науки применяют метод «меченых атомов», электронную аппаратуру и многое другое. Почти все науки имеют физические разделы и соответствующие отрасли производства: астрофизика; физхимия; биофизика; металлофизика (металлургия); физика полупроводников (микроэлектроника); физика ядра (атомное машиностроение)… Уже это позволяет утверждать, физика является фундаментом, на котором строятся естественные и прикладные науки. Следует заметить, связь физики с другими науками взаимна: обогащая физику своими достижениями, они ставят перед нею новые задачи, что развивает физику.
Таким образом, перед физикой стоят следующие задачи: исследовать явления природы и найти законы, которым они подчиняются; установить причинно-следственную связь между новыми открытыми явлениями и изученными ранее; применять полученные знания для разумного воздействия на природу. В настоящее время физику всё больше интересуют вопросы возникновения материального мира и место сознания в этом мире.
