Гармоническое колебательное движение. Волны

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра теоретической и прикладной физики

 

 

Ф И З И К А

 

 

Методические указания по изучению дисциплины и задания

Для контрольной работы

 

 

Новосибирск 2011

УДК: 53(075)

Алешкевич М.Г., Дзю И.М., Митина Л.А. Физика. Методические указания по изучению дисциплины и задания для контрольной работы студентам направлений Агрономия, Лесное дело всех форм обучения. ⁄ Новосиб.гос.аграр. ун-т. Инженерный институт.-Новосибирск, 2011.-74 с.

 

В методических указаниях приведена рабочая учебная программа дисциплины, даны краткие указания по изучению физики и решению задач, приведены основные формулы, примеры решения, а также справочные данные.

Утверждено и рекомендовано к изданию методическим советом Инженерного института, протокол №11 от 9 октября 2011 г.

 

Рецензент доцент, к.т.н С.В.Викулов (НГАВТ)

 

Ответственный за выпуск, д.т.н., проф. А.П.Пичугин

 

Новосибирский государственный

аграрный университет, 2011

 

1.Общие методические указания

 

1.1.Самостоятельная работа студента

 

Одной из фундаментальных наук, изучающих наиболее общие формы движения и взаимодействия материи (вещества и поля), является физика. Ее фундаментальные закономерности имеют большое значение не только для самой физики, но и являются теоретической базой для всех естественных наук и техники. Физика оказывает большое влияние на развитие производства, как через соответствующие науки, так и непосредственно. Теснейшим образом физика связана с сельским хозяйством. Процессы жизнедеятельности сельскохозяйственных растений в значительной степени определяются физическими условиями среды, в которых развиваются растения: световым, водным, тепловым и воздушным режимом. Задачи физики состоят в изучении этих условий и установления наиболее благоприятного режима для роста сельскохозяйственных культур. Поэтому современный агроном должен хорошо знать основы физики и уметь творчески применять полученный физические знания в своей практической деятельности.

 

Изучение физики студентами осуществляется в два этапа:

 

1. Самостоятельное изучение основ физики в соответствии с учебной программой и выполнение контрольной работы;

2. Участие в лабораторно-экзаменационной сессии: выполнение лабораторных работ и их защита, сдача экзамена.

Основная работа по изучению физики должна быть проделана до лабораторно-экзаменационной сессии. Не допустимо откладывать изучение физики до сессии. Только систематическая работа может позволить освоить основной материал своевременно, а на сессии устранить пробелы и успешно сдать экзамен. Самостоятельная работа по учебнику и учебным пособиям должна сопровождаться составлением конспекта, в котором кратко должны быть написаны физические явления, записаны формулировки законов, определения физических величин и их единиц измерения, решены типовые задачи.

Лекции во время сессии носят обзорный характер, в них излагаются наиболее трудные темы. Количество лекционных часов определяется согласно учебному плану. Лабораторно-практические занятия позволяют углубить и закрепить теоретические знания, ознакомить с наиболее распространенными методами измерений и пользованием физических приборов. На экзамене студент должен показать твердые знания по физике, предусмотренные учебной программой и Государственным Образовательным Стандартом. До экзамена допускаются студенты, защитившие контрольную работу, выполнившие и защитившие лабораторные работы.

1.2. Указания к выполнению контрольной работы

 

* Каждый студент до начала экзаменационной сессии должен выполнить в соответствии со своим вариантом одну контрольную работу, включающую 8 задач. Номер варианта определяется по двум последним цифрам шифра, а номера задач – по таблице вариантов. Они указаны в строке, соответствующей последней цифре шифра в одной из двух колонок в зависимости от того, четная или нечетная предпоследняя цифра в шифре. Так, например, если вариант 51 (предпоследняя цифра «5» – нечетная), то следует решать задачи первого столбика; если вариант 61 (предпоследняя цифра «6» – четная), то следует решать задачи второго столбика.

* Работа, присланная на рецензию, должна быть выполнена в отдельной тетради, на обложке которой нужно указать фамилию, инициалы, полный шифр, дату отправки и адрес студента.

Условия задач должны быть переписаны полностью и каждую задачу следует начинать с новой страницы. Для замечаний рецензента оставлять поля. Работу нужно выполнять шариковой ручкой с пастой синего или черного цвета.

* При решении задач следует придерживаться следующей последовательности:

- выписать данные величины в одну колонку, используя буквенные обозначения и необходимые индексы;

- перевести все заданные величины в одну систему СИ;

- вспомнить физические законы, на основании которых следует решать задачу, написать соответствующие формулы;

- в случае необходимости сделать схематичный чертеж, поясняющий содержание задачи (например, ход лучей в оптической системе);

- в большинстве случаев задачу следует решать в общем виде, т.е. в виде буквенных выражений без вычисления промежуточных вычислений;

- полученную формулу следует проверить на размерность. Если в результате получится неверная размерность, то это прямое указание на ошибки;

- подставляя в полученную формулу числовые значения, произвести вычисления, руководствуясь правилами вычислений и убедиться, что полученный ответ удовлетворяет условиям задачи. При решении можно пользоваться справочными данными, приведенными в конце методических указаний;

- в конце контрольной работы необходимо указать использованную литературу. Это позволяет рецензенту, в случае неверных решений, дать более конкретные советы по устранению замечаний;

- получив проверенную работу, студент обязан тщательно изучить ошибки и внести исправления. Повторно выполненная работа высылается на рецензию вместе с незачтенной работой. Возможно устранение недостатков и в незачтенной работе;

- контрольные работы высылаются на рецензию до начала экзаменационной сессии. Работы, поступившие на рецензию во время экзаменационной сессии, не рецензируются и не принимаются к защите.

 

1.3. Рабочая программа

Введение.

Предмет физики. Методы исследований. Обработка результатов физических измерений.

 

1. Физические основы механики.

1.1. Виды механического движения. Кинематика материальной точки. Скорость, ускорение, траектория. Равнопеременное движение.

1.2. Динамика материальной точки. Законы Ньютона. Закон сохране­ния импульса и его использование в сельском хозяйстве. Виды энергий. Работа. Мощность. Силы в механике (упругости, трения, тяжести).

1.3. Вращательное движение твердого тела. Механика вращательного движения. Момент силы, момент инерции.

1.4. Гидродинамика. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Вязкость жидкости. Закон Стокса. Ламинарное и тур­булентное течение. Измерение давления. Применение закона гид­родинамики в агрономии.

1.5. Механические колебания и волны в упругих средах. Виды коле­баний. Характеристики колебательных процессов. Математиче­ский, физический, пружинный маятники. Резонанс.

2. Молекулярная фишка и термодинамика.

2.1. Основы молекулярно-кинетической теории газов. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Давление. Барометрическая формула. Распределение молекул по скоростям.

2.2. Явление переноса в газах. Диффузия и теплопроводность в почве. Внутреннее трение. Реальные газы. Уравнение Ван - дер - Ваальса. Критическая температура. Испарение и конденсация. Кипение.

2.3. Физические основы термодинамики. Элементы термодинамики.

Работа и теплота газа. Внутренняя энергия. Теплоемкость газа. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики. Энтропия.

2.4. Молекулярные явления в жидкостях. Жидкости и твердые тела. Особенности строения. Деформация твердого тела. Тепловое расширение твердых и жидких тел. Диффузия. Осмос. Поверхно­стное натяжение, капиллярные явления.

 

3. Электричество и магнетизм.

 

3.1. Электростатика. Электрический заряд. Закон Кулона. Теорема Остроградского-Гаусса. Характеристики поля (напряженность и потенциал, силовые и эквипотенциальные линии).

3.2. Проводники в электрическом поле. Электростатическая защита. Электрическое поле в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость.

3.3. Постоянный ток. Ток в металлах. Закон Ома. Параллельное и по­следовательное соединение проводников. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Правила Кирхгофа. Работа и мощ­ность постоянного тока.

3.4. Электрический ток в полупроводниках. Электрический ток в электролитах. Законы электролиза. Электрический ток в живых организмах.

3.5. Электромагнетизм. Закон Ампера. Индукция и напряженность магнитного поля. Сила Лоренца. Закон Био - Савара - Лапласа.

3.6. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Явление самоин­дукции и взаимной индукции.

3.7. Переменный ток. Диод. Схемы выпрямления тока. Магнитные свойства вещества. Диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагне­тизм. Действие магнитного поля на биологические объекты.

3.8. Электромагнитные колебания и волны. Колебательный контур. Шкала электромагнитных волн.

 

4. Оптика.

 

4.1. Геометрическая оптика. Законы отражения и преломления. Пол­ное отражение на границе двух сред и использование этого явле­ния в оптических приборах.

4.2. Волновая оптика. Интерференция света. Интерференция в тонких пленках. Интерферометры. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракционная решетка. Голография.

4.3. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляриметры и сахариметры.

4.4. Дисперсия света. Спектральный анализ. Закон Бугера. Ультра­фиолетовое и инфракрасное излучение. Их применение.

4.5. Квантово - оптические явления. Квантовые свойства света. Теп­ловое излучение. Абсолютно черное тело. Законы Кирхгофа и Стефана - Больцмана. Законы смещения Вина. Оптическая пиро­метрия.

4.6. Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Фотохимические реакции.

5. Строение атома и атомного ядра.

5.1. Строение атома. Постулаты Бора. Люминесценция. Люминес­центный анализ. Лазеры и их применение.

5.2. Волновые свойства частиц. Дифракция электронов. Электронный микроскоп. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

5.3. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы. Радиоак­тивный распад. Действие ионизирующих излучений на живой ор­ганизм.

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Грабовский РИ. Курс физики. 6-е изд. Издательство «Лань», 2002. - 608 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 6-е изд., стер. -М: Высш. шк., 1999. - 542с.

3. Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л. Основы физики. Учеб. пособие для студентов вузов. - 2-е изд., испр. и дополн. - М: Высш. шк., 2001. - 527 с.

4. Волькенштейн B.C. Сборник задач по общему курсу физики. М. Наука, 1990. - 400 с.

5. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики с решениями: Учеб. по­собие для вузов. - 3-е изд., - М: Высш. шк., - 2002. - 591с.

6. Гладской В.М., Самойленко «Физика» сборник задач с решениями: Пособие для вузов. – 2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2004. – 288с.

 

ЗАДАНИЕ 1. Физические основы механики

Механика – часть физики, в которой рассматриваются закономерности движения и причины, вызывающие это движение. Данный материал является фундаментальным, т.к. понятия, закономерности, законы, содержащиеся в нем, применяются при изучении последующих разделов программы (законы Ньютона, закон сохранения энергии).

Для облегчения решения задач приведены основные формулы и примеры решения задач.

Поступательное движение

· Уравнения равномерного движения:

, , .

· Уравнения равнопеременного движения:

, , .

· Уравнения неравномерного движения:

, , ,

где S – перемещение; n₀ – начальная скорость; n – скорость в момент времени t; – ускорение.

Вращательное движение

· Уравнения равномерного вращения:

, , .

· Уравнения равнопеременного вращения:

, , .

· Уравнения неравномерного вращения:

, , .

где j – угловой путь, пройденный за время t; w₀ – начальная угловая скорость; w – угловая скорость в момент времени t; e – угловое ускорение.

· Связь между угловой скоростью , периодом Т и частотой вращения n:

.

· Связь между линейными и угловыми кинематическими величинами:

, , ,

,

где а_t – тангенциальное ускорение; а_н – нормальное ускорение; R – радиус окружности.

· Полное ускорение:

.

Гармоническое колебательное движение. Волны

 

· Смещение колеблющейся точки:

где x – смещение; А – амплитуда; w – круговая, или циклическая частота:

; ,

где n – частота; j₀ – начальная фаза.

· Скорость колеблющейся точки:

.

· Ускорение колеблющейся точки:

.

· Возвращающаяся сила:

,

где m – масса материальной точки; – коэффициент возвращающейся силы.

· Кинетическая W _к, потенциальная W _п и полная W энергии гармонического колебания:

· Период колебания математического маятника:

,

где l – длина маятника; g – ускорение свободного падения.

· Период колебания пружинного маятника:

,

где k – жесткость пружины.

· Период колебания физического маятника:

,

где J – момент инерции маятника относительно оси вращения; а – расстояние от центра масс до оси вращения.

· Длина волны l, скорость n ее распространения и период Т связаны соотношением:

.

· Уравнение волны:

где А – амплитуда; Т – период; l – длина волны; х – смещение точки среды (участвующей в волновом процессе) в любой момент времени t; y – расстояние от этой частицы до источника волны.