Пояснения к рабочей программе. Приступая к изучению физики, необходимо уяснить, что физика, наряду с другими естественными науками

 

Приступая к изучению физики, необходимо уяснить, что физика, наряду с другими естественными науками, изучает объективные свойства окружающего нас материального мира. Она исследует наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения. Движение есть форма существования материи. Физические понятия являются простейшими и в то же время основополагающими и всеобщими в естествознании (пространство, время, движение, масса, работа, энергия и др.).

Изучать основы классической механики надо исходя из представлений современной физики, в которой основные понятия классической механики не утратили своего значения, а получили дальнейшее развитие, обобщение и критическую оценку с точки зрения их применения. Следует помнить, что механика – это наука о простейших формах движения материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами. Движение всегда существует в пространстве и во времени. Диалектический материализм учит, что пространство, поле и время являются основными формами существования материи. Предметом классической механики является движение макроскопических материальных тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света в вакууме. Движение частиц со скоростями порядка скорости света рассматривается в теории относительности, а движение микрочастиц изучается в квантовой механике.

В контрольную работу № 1 включены задачи, дающие возможность проверить знания студентов по ключевым вопросам классической механики и элементам специальной теории относительности. Решая задачи по кинематике, в которых необходимо использовать математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, студент должен научиться определять мгновенные скорость и ускорение по заданной зависимости координаты от времени, а так же решать обратные задачи.

Задачи на динамику материальной точки и поступательное движение твердого тела охватывают такие вопросы, как закон движения центра масс механической системы, закон сохранения количества движения, работа силы и ее выражение через криволинейный интеграл, связь кинетической энергии механической системы с работой сил, приложенных к этой системе, закон сохранения механической энергии. Тщательного изучения и понимания требуют вопросы о поле как форме материи, осуществляющей взаимодействие между частицами вещества или телами, о потенциальной энергии механической системы.

В задачах на кинематику и динамику вращательного движения твердого тела главное внимание уделялось изучению соотношений между линейными и угловыми характеристиками, понятий момента силы, момента инерции тела, законов сохранения количества движения, момента количества движения и механической энергии.

В контрольную работу включены задачи по элементам специальной теории относительности, которые охватывают следующие вопросы: относительность одновременности, длин и промежутков времени, релятивистский закон сложения скоростей, зависимость релятивистской массы от скорости, соотношение между релятивистской массой и полной энергией. Решая эти задачи, студент должен усвоить, что законы классической механики имеют границы применимости и что они получаются как следствие теории относительности.

Изучая физические основы молекулярной физики и термодинамики, студенты должны уяснить, что существуют два качественно различных и взаимодополняющих метода исследования физических свойств макроскопических систем – статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Молекулярно-кинетический метод исследования лежит в основе молекулярной физики, термодинамический – в основе термодинамики. Молекулярно-кинетическая теория позволяет с единой точки зрения рассмотреть различные явления во всех состояниях вещества, вскрыть их физическую сущность и теоретическим путем вывести многочисленные закономерности, открытые экспериментально и имеющие большое практическое значение.

При изучении молекулярно-кинетической теории следует уяснить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от свойств каждой отдельной молекулы и свойства макроскопической системы в конечном счете определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и средними значениями кинематических характеристик частиц, т. е. их скоростей, энергий т. д.

В отличие от молекулярно-кинетической теории, термодинамика не изучает конкретно молекулярные взаимодействия, происходящие с отдельными атомами или молекулами, а рассматривает взаимопревращения и связь различных видов энергии, теплоты и работы. Термодинамика базируется на опытных законах (началах), которые позволяют описывать физические явления, связанные с превращением энергии макроскопическим путем.

При изучении основ термодинамики студент должен четко усвоить такие понятия, как термодинамическая система, термодинамические параметры (параметры состояния), равновесное состояние, уравнение состояния, термодинамический процесс, внутренняя энергия, энтропия и т. д.

Задачи контрольной работы дают возможность проверить знания студентов по основным вопросам молекулярной физики и термодинамики.

В задачах на тему «Основы молекулярно-кинетической теории» внимание уделено таким вопросам программы, как уравнение Клайперона-Менделеева, уравнение молекулярно-кинетической теории, средние кинетические энергии поступательного и вращательного движения молекул, средняя длина свободного пробега и среднее число соударений, явления переноса.

Задачи по теме «Основы термодинамики» охватывают такие важные соотношения и понятия, как первое начало термодинамики, внутренняя энергия, работа при различных изопроцессах и адиабатном процессе. Включены также задачи, которые позволяют проверить понимание второго начала термодинамики, понятие энтропия идеального газа, являющегося, в отличие от количества теплоты функцией состояния. Задачи в контрольной работе расположены приблизительно в том порядке, в каком соответствующие вопросы рассматриваются в рабочей программе.

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ

МЕХАНИКА

Мгновенная скорость: ,

где – радиус-вектор материальной точки, t – время.

Ускорение:

тангенциальное: ,

нормальное: ,

полное: ,

где R – радиус кривизны траектории, – единичный вектор нормали, направленный к центру кривизны траектории.

Угловая скорость: ,

где - угловое перемещение.

Ускорение угловое: .

Связь между линейными и угловыми величинами:

Импульс (количество движения) материальной точки: ,

где m – масса материальной точки.

Основное уравнение динамики материальной точки (II закон Ньютона):

Закон сохранения импульса для изолированной системы: .

Радиус-вектор центра масс: .

Скорости частиц после столкновения:

Сила сухого трения: ,

где f – коэффициент трения, – сила нормального давления.

Сила упругости: ,

где k – коэффициент упругости (жесткость), – деформация.

Сила гравитационного взаимодействия: ,

где m₁ и m₂ – массы частиц, g – гравитационная постоянная, r – расстояние между частицами.

Работа силы: .

Мощность: .

Потенциальная энергия:

упругодеформированного тела: ,

гравитационного взаимодействия двух частиц: ,

тела в однородном гравитационном поле: ,

где g – ускорение свободного падения, h – расстояние от нулевого уровня.

Потенциал гравитационного поля Земли: ,

где M₃ – масса Земли, R₃ – радиус Земли, h – расстояние от поверхности Земли.

Напряженность гравитационного поля Земли: .

Кинетическая энергия материальной точки: .

Закон сохранения механической энергии: .

Момент инерции материальной точки: ,

момент инерции абсолютно твердого тела: ,

где r – расстояние до оси вращения.

Моменты инерции тел массой m относительно оси, проходящей через центр масс:

тонкостенного цилиндра, кольца радиуса R, если ось вращения совпадает с осью цилиндра: ,

сплошного цилиндра, диска радиуса R, если ось вращения совпадает с осью цилиндра: ,

шара радиуса R: ,

тонкого стержня длиной l, если ось вращения перпендикулярна стержню: .

Момент инерции тела массой m относительно произвольной оси (теорема Штейнера): ,

где J_o – момент инерции относительно параллельной оси, проходящей через центр масс тела, d – расстояние между осями.

Момент силы: ,

где – радиус-вектор точки приложения силы.

Момент импульса: .

Основное уравнение динамикивращательного движения: .

Закон сохранения момента импульса для изолированной системы: .

Работа при вращательном движении: .

Кинетическая энергия вращающегося тела: .

Релятивистское изменение длины: ,

где l₀ – длина покоящегося тела, с – скорость света в вакууме.

Релятивистское замедление времени: ,

где t₀ –собственное время.

Релятивистская масса: ,

Где m0 – масса покоя.

Энергия покоя частицы:.