Заочный факультет



страница1/10
Дата25.11.2012
Размер1.27 Mb.
ТипМетодические указания
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ЗАОЧНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Участкин В.И., Никитин Б.И.

ФИЗИКА:


теория, контрольные задания и примеры решения задач
методические указания


МОСКВА, 2005г.
УДК 53(075.8)

ББК 22.3я73
Участкин В.И., Никитин Б.И. Физика: теория, контрольные задания и примеры решения задач. Методические указания. – М.:ООО «Техполиграфцентр», 2005 – 94с.

Лицензия на издательскую деятельность – код 221, серия ИД

Рецензенты:

проф. Сапогин Л.Г.

доц. Ступаков Е.И.
Методические указания подготовлены для студентов заочного отделения с целью дать представление о курсе физики при минимуме имеющейся литературы.

Приведено изложение основных разделов физики, дающее целостное представление о курсе, как основы для дальнейшей инженерной специализации. Здесь же приведены примеры решения стандартных задач. Курс разбивается на два семестра. В первом семестре рассматриваются вопросы механики, силовых полей и колебаний. Во втором - волновые процессы, квантовая физика и строение вещества.

Соответственно такому разбиению студенты готовят в каждом семестре по одному контрольному заданию. Из 10 вариантов приведенных заданий выбирается тот, который совпадает с последней цифрой номера вашего пропуска или зачетной книжки. Более сложное контрольное задание №3 предназначено для студентов, желающих проверить свои знания или для тех, у кого в программе имеется третий семестр по физике.

В течение каждого семестра студент решает задачи на базе разработанного в данном издании задачника по физике и представляет их к зачету. Проводятся регулярные консультации. Во время аудиторных занятий выполняется цикл лабораторных работ, дается общее представление о курсе физики на базе отдельных разделов курса. Завершается курс экзаменом.

Материалы лекционного курса изложены профессором В.И.Участкиным, комплекты контрольных задач составлены старшим преподавателем Б.И.Никитиным.


Участкин В.И., Никитин Б.И., 2005
Лекция 1. Понятие о материи, пространстве и времени. Основы релятивистской механики. Принцип относительности в механике.
Физика изучает наиболее общие формы существования материи в пространстве и времени и наиболее общие формы ее движения (механическое, волновое, квантовое и т.д.) Построение физической картины мира имеет познавательную (эвристическую) ценность, так как указывает путь развития физики как науки.

Механическая картина мира была окончательно сформулирована в работах Г.Галилея, И.Ньютона и Декарта. Однако, за много тысячелетий до них картина развития мира формировалась умами разных народов. В русской сказке ”Колобок” наиболее точно воспроизведен процесс эволюции Вселенной. Вселенная возникла из физического вакуума.
Физический вакуум это не пустота. Он чреват рождением частиц и античастиц. Рождение Вселенной связано с возникновением гигантской флуктуации материи плотностью 1080 кг/м3. Вселенная родилась симметричной с равным числом частиц и античастиц. Однако чрезвычайно быстро наступил момент (примерно через 10-35с от момента возникновения гигантской флуктуации), когда создались условия для нарушения закона сохранения барионного заряда (протоны и нейтроны в ядре атома являются барионами). Тогда число образующихся в процессе эволюции Вселенной частиц оказалось несколько больше чем античастиц. В момент времени 10-35 – 10-32с от начала флуктуации происходит аннигиляция равного числа частиц и античастиц. Это явление сопровождается гигантским взрывом и Вселенная расширилась практически мгновенно почти до современных размеров. Происходящее сейчас расширение протекает с незначительной скоростью. Через время больше 10120с под действием ядерных реакций материя должна превратиться в электроны и излучение. Именно так в русском сознании и представляется эволюция Вселенной по сказке «Колобок». Сферически симметричный мир – «колобок» появился из ничего. Но это «ничего» все же позволило наскрести «горсти две муки» и испечь его. Колобок проходит свой жизненный цикл и, попав лисе на язык, оказывается съеденным.

Электромагнитная природа была окончательно выявлена в работах Максвелла (уравнения Максвелла), хотя многие основные положения были заложены еще Майклом Фарадеем. Квантово-полевые представления развивались в XX столетии Эрнестом Резерфордом, Нильсом Бором, Гайзенбергом и Шредингером.

1. Материя-”философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них” В.И.Ленин. Таким образом, под материей мы понимаем окружающие нас материальные тела вместе с создаваемыми ими полями -электромагнитным и гравитационным. Британский философ Бертран Рассел предложил рассматривать структурные уровни материи. Рассмотрим следующие виды структурных уровней:

- Элементарные частицы и поля

- Атомы

- Молекулы

- Макроскопические тела

- Геологические системы

- Планеты

- Звезды

- Внутригалактические системы

- Галактика

- Системы галактик

- Особый тип материальных систем - живая материя - совокупность организмов, способных к воспроизводству.

Физика как точная наука не ограничивается качественным определением материи. Она дает количественную характеристику понятий.

  1. Пространство характеризует структурность и протяженность материальных систем. Пространство однородно и изотропно. Однородность пространства означает равномерное распределение материи в пространстве, а изотропность – равномерное распределение по всем направлениям в пространстве.

Материя и размеры наблюдаемой части Вселенной

Часть Вселенной

Число протонов и нейтронов

Масса

кг

Размеры

м

Наблюдаемая часть Вселенной

1080

1051- 1053

1026=13млрд.

св.лет

Галактика

1068

1041

7,5*1020

Солнце

1057

1030

109

Земля

1051

6*1024

6*106

Человек

1030

50-80

1,5-1,8

Клетка

1012-1014

~10-13




Атом водорода

1

1,66*10-27

10-10

Протон

1

1,66.10-27

10-15

Плоское, выпуклое и вогнутое пространство описывается соответственно геометриями Евклида, Римана, Лобачевского.

Для плоского пространства характерно, что  углов = 180о .

Для выпуклого пространства -  углов  >180о .

Для вогнутого пространства -  углов  <180о .

Вплоть до R>6*1017м не обнаружена кривизна пространства и для микро и макромира можно считать пригодной геометрию плоского пространства.

Вопрос о метрике пространства может возникнуть при выяснении модели Вселенной, в которой мы живем (три модели - расширяющейся, сжимающейся и пульсирующей Вселенной). Эффект Доплера (красное смещение звездных спектров свидетельствует в пользу расширяющейся Вселенной или пульсирующей, но находящейся в стадии расширения.

3. Время - форма последовательной сметы явлений и состояний материи. Основное свойство времени – однородность, что означает наличие последовательной смены событий

В жизни психологическое время направлено из прошлого в будущее и оно необратимо.

В процессе развития Вселенной степень упорядочения в ней убывает, т.е. изменение энтропии S>0, т.к. число возможных неупорядоченных состояний в ней становится больше. Следовательно, в прошлом был порядок.

Вселенная замкнута. При ее расширении мы как бы проходим по поверхности шара, где параллели отмечают интервалы времени. Максимального размера она достигает на экваторе затем вновь начинает стягиваться. В этот момент Вселенная достигает полного беспорядка. Материя распадается на мелкие частицы и излучение. Стивен Хокинг (физик теоретик) утверждает, что фаза сжатия в упорядоченное состояние менее вероятна, чем сжатие в сильное неупорядоченное состояние. Разумная жизнь не может существовать в фазе сжатия Вселенной , т.к. ей сопутствует потребление пищи - когда упорядоченная форма энергии перерабатывается в неупорядоченную форму. Итак, жизнь может существовать только в фазе расширения Вселенной.

4.Принцип относительности в механике.

Исторически первым принцип относительности сформулировал французский ученый Анри Пуанкаре. В1895 году выходит его работа

“К теории Лармора”, в 1898 году - ”Измерение времени”, в 1901 году

“Оптические явления в движущихся телах” (Курс лекций, прочитанных в Сорбонне в 1899 году), в 1902 году “О принципе относительности пространства и движения ” , 5 июня 1905 года “ О принципе электрона”.Известный историк физик Эдуард Уиттекер (Whittaker E.A.) писал в1953 году ,что «уже в 1899 году Пуанкаре пришел к выводу ,что абсолютное движение не может быть зарегистрировано в принципе ни динамическими, ни оптическими, ни электрическими методами...» 24 сентября 1904 года Пуанкаре выступил на Конгрессе искусств и науки в Сент-Луисе (США). Он дал обобщенное толкование высказанному им ранее принципу, назвав его «принципом относительности». ”В соответствии с принципом относительности, - сказал Пуанкаре,- физические законы должны иметь одинаковую форму как для “покоящегося” наблюдателя, так и для наблюдателя, движущегося



Академик А.А.Логунов Анри Пуанкаре
равномерно и прямолинейно относительно первого”.

Академик А.А.Логунов - ректор МГУ в предисловии к работам А.Пуанкаре в 1988 году писал, что “в работе от 23 июля 1905 года он сформировал все основное, что является содержанием теории относительности, открыл законы релятивистской механики.”

А.Эйнштейн узнал о “принципе относительности ” у Пуанкаре. Об этом говорит биограф Эйнштейна - Карл Зелиг. ”Эйнштейн прочел книгу Пуанкаре (Наука и гипотеза)” в присутствии Соловина и Конрада Габихта на частном собрании под названием “ Олимпия ” в Берне до того, как Соловин уехал из Берна в 1905 году, а Габихт еще ранее в 1904 году.

Использование Эйнштейном материалов других авторов было довольно своеобразным - без ссылок на этих авторов. Это не единственный случай. Работы Эйнштейна с 1902-1905 года о явлениях термодинамики и флюктуациях в значительной мере повторяют работы других авторов без ссылок на них. После издания работы по теории относительности прошло 7 лет, но Пуанкаре нигде и никогда не приписывал Эйнштейну приоритет открытия теории относительности. Напротив, он часто утверждал, что первооткрывателем был Лоренц, принижая тем самым свою роль в ее открытии.

Относительность понятия движения связана с движением относительно разных систем отсчета. (Геоцентрическая система Птолемея и гелиоцентрическая Галилея - правильный выбор системы отсчета имеет глубокий физический смысл).

Инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

Системы отсчета, движущиеся друг относительно друга поступательно с постоянной скоростью, называются инерциальными.

Принцип относительности

Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

U’=U+V, V= Const. mdU’/dt= mdU/dt +mdV/dt=mdU/dt=Fвнеш,,

5. Основы релятивистской механики

z z’ Преобразования Лоренца

_

V x’=(x-vt)/(1-v2/c2)1/2

y’=y

z’=z

x x’ t’=(t-xv/c)/(1-v2/c2)1/2

y y’

Преобразования Галилея

x’=x-vt

y’=y

z’=z

t’=t

Длина стержня, измеренная в системе, относительно которой он движется, меньше длины, измеренной в системе, относительно которой стержень покоится. (Лоренцово сокращение длины).

Замедление времени в движущейся системе отсчета.

Контрольные вопросы

1. Как понимать “принцип относительности”?

2. Дайте обоснование модели Вселенной, в которой мы находимся.

3. Поясните понятие структурных уровней материи.

Литература

1. И.В.Савельев Курс общей физики, т.1,гл.8, Наука,М., 1977г.

2. Б.М.Яворский, А.А.Пинский Основы физики т.1,гл.12, Наука,М.,

1974г.

3. Дж.Орир Физика, т.1, гл.8,9, Мир,М., 1981г.
Лекция 2. Кинематические и динамические параметры движения
Кинематические параметры

Поступательное движение можно характеризовать перемещением S, линейной скоростью V = dS/dt и линейным ускорением

а = dV/dt = d2S/dt2.

Математические выражения для линейной скорости и ускорения вытекают из их определений.

Линейная скорость характеризует темп изменения линейного перемещения. Линейное ускорение характеризует темп изменения линейной скорости по величине.

Простое вращательное движение можно характеризовать угловым перемещением , угловой скоростью  = d/dt и угловым ускорением  = d/dt =d2/dt2. Математические выражения вытекают из определения соответствующих величин.

Угловая скорость характеризует темп изменения углового перемещения тела. Угловое ускорение характеризует темп изменения угловой скорости.
Динамические параметры

Параметры поступательного движения: масса, импульс, сила, энергия.

Масса – мера инертности поступательного движения – скалярная величина.

Импульс характеризует количество поступательного движения – вектор р = mV. Вектор имеет три компоненты – проекции на оси

{px ,py ,pz}.

Поскольку именно сила вызывает изменение характера движения, то F = dp/dt.

Кинетическая энергия поступательного движения Е = mV2/2.

Параметры вращательного движения: момент инерции, момент импульса, момент силы, энергия.

Момент инерции – мера инертности вращательного движения

I = mr2, I = mr2, I =. Момент инерции – тензор. Он имеет несколько компонент, характеризующих инертность вращательного движения тела относительно различных осей, а потому компоненты момента инерции записываются в форме матрицы.

Осевой момент импульса характеризует количество простого вращательного движения Lос =I. Орбитальный момент импульса характеризует количество вращательного движения тела при его движении по орбите Lорб = [rp].

Момент силы М =[rF]. Направление момента силы определяется по правилу правого буравчика путем поворота первого сомножителя ко второму. Подача буравчика совпадает с направлением момента силы.
Лекция 3. Законы сохранения. Уравнения движения. Динамика твердого тела.


  1. Законы сохранения ценны своей общностью. Они применимы для микро= и макромира. Законы сохранения связывают с общими принципами симметрии пространства и времени. Из свойства однородности пространства следует закон сохранения импульса p= Сonst. Из свойства изотропности

пространства следует закон сохранения момента импульса L=J=Const. L=rxp=Const. Из свойства однородности времени следует (ЗСЭ) закон сохранения энергии. Е=Const.

Абсолютное большинство ученых рассматривает законы сохранения как принципы запрета (любое явление, при котором



Исаак Ньютон

нарушается, хотя бы один из законов сохранения, запрещено). Однако, основоположник современных представлений в механике Исаак Ньютон не приписывал закону сохранения энергии такого общего характера. Современный автор книги “Строение материи” М.П.Бронштейн даже замечает, что “причина этого ошибочного взгляда Ньютона на ЗСЭ чрезвычайно интересна”. Как свидетельствуют современные достижения науки подобный взгляд совсем не был ошибочным. Ньютон обладал замечательным даром предвидения, например, даже квантовой механики в своей “теории приступов”. ЗСЭ в квантовой механике проявляется как статистический закон (верен для средних значений, а не для индивидуальных процессов). Эту мысль высказал Э.Шредингер, а затем Нильс Бор. Фридрих Энгельс в “Диалектике природы” писал тоже самое: ”ни один из физиков, в сущности, не рассматривает ЗСЭ как вечный и абсолютный закон природы, закон спонтанной трансформации форм движения материи и количественного постоянства этого движения при всех его превращениях”. Известный физик военного поколения Д.И.Блохинцев также считает, что “весьма вероятно, что с развитием новой теории форма ЗСЭ претерпит изменения”.

В макромеханике таких проблем не возникает. Законы сохранения справедливы для замкнутых систем и являются следствием законов динамики.

dp/dt=F (ma=F) 2-й закон Ньютона

dL/dt=M=[rF] Аналог 2-го закона Ньютона для вращательного движения.

Система называется замкнутой, если сумма всех внешних сил равна нулю или ими можно пренебречь. Для замкнутых систем

dp/dt= 0 , следовательно, p=Const - закон сохранения импульса.

dL/dt=0 , следовательно, L=Const - закон сохранения момента импульса.

Лунный тормоз.

Приливные волны на Земле связаны с притяжением воды в океане Луной. То есть на океане образуется вспучивание, обращенное вершиной к Луне. Поскольку период обращения Луны вокруг Земли много больше длительности суток, то можно считать, что это вспучивание следит за положением Луны и при набегании его на берег тормозит вращение Земли.

Если считать, что система Земля – Луна замкнута, то есть пренебречь силами притяжения к Солнцу, то из этого предположения вытекает, что расстояние Земля – Луна изменяется со времени образования океанов на Земле, то есть в течение последних 4 млрд. лет.

Закон сохранения момента импульса системы Земля – Луна:

J + rmV = Const

то есть осевой момент импульса Земли J = 2MR2/5, (где J –момент инерции Земли, М – её масса, R – радиус) плюс орбитальный момент импульса Луны rmV (m – масса Луны, V – её линейная скорость, r – расстояние от Земли до Луны) в сумме остаются постоянными. Если учесть закон динамики движения Луны вокруг Земли c центростремительным ускорением V2/r под действием сил гравитации F = GmM/r2, то mV2/r = GmM/r2. Отсюда следует, что J + m= Const, то есть под действием лунного тормоза с уменьшением угловой скорости вращения Земли расстояние Земля – Луна также должно увеличиваться. Можно даже поставить вопрос о том, когда Луна оторвется от Земли.

Частные законы сохранения


В системах, где действуют центральные силы, выполняется закон сохранения момента импульса. Для центральных сил

F R, F 0,

V V M = [RF] = 0

R Следовательно dL/dt = 0

 o L= const.


Центральные силы действуют в Солнечной планетной системе. Она образовалась согласно гипотезе О.Ю.Шмидта из газопылевого облака. Для него должен сохраняться момент импульса по направлению. Следовательно орбиты планет Солнечной системы должны лежать примерно в одной плоскости. Приведем справочные данные наклона орбит планет по отношению к плоскости Эклиптики.

Меркурий Венера Земля Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун Плутон

7о 3о 0о 2о 1о 2,5о 1о 2о 17о

Отклонение получено только в отношении орбиты самой дальней планеты – Плутона. Это требует дополнительного объяснения.

Из закона сохранения момента импульса по величине следуют законы Кеплера. Возьмем один из них:

радиусы-векторы орбит планет описывают равные площади за равное время. Вычислим площадь сектора:

dS =Rdl/2 = R2d/2= R2dt/2=RVdt/2

L = RmV = Const, следовательно

dS =Ldt/2m, что и требовалось доказать.

Контрольные вопросы

1. С какими свойствами пространства и времени связаны

законы сохранения?

2. Напишите законы динамики и охарактеризуйте их.

3. При каких условиях справедливы три закона сохранения?

Литература

1. И.В.Савельев Курс общей физики, т.1, гл.3, Наука, М., 1977г.

2. Б.М.Яворский, А.А.Пинский Основы физики, т.1, гл.15,19,21-

23, Наука,М., 1974г.

3.Дж.Орир Физика , т.1., гл.4,7,9,10, Мир,М., 1981г.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
Предполагается креативный и творческий подход студентов, обучение их критическому анализу
Заочный факультет iconЛучшая женская роль Дарья Валерштейн филологический факультет, 2 курс
Хореографическая постановка «Ирландский танец» архитектурно-строительный факультет
Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
Групповые дискуссии, анализ и критика исторических источников, презентация докладов учащихся
Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
Вспомогательные учебные материалы карты, архивные документы, археологические источники и тд Выступления учащихся с докладами, дискусии...
Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
Данная дисциплина изучает османскую письменность: алфавит, основы грамматики, правила правописания и чтения тесктов на османском...
Заочный факультет iconБлинова Ольга Иосифовна, д филол н., профессор, заслуженный деятель науки РФ. Факультет, кафедра (лаборатория) Филологический факультет, отделение Русский язык и литература
...
Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
Описываются единицы дискурсной формы стихотворения, анализируются средства выражения колористических и ассоциативных значений звуков....
Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
За 15-20 мин до окончания занятий в целях закрепления материала дается время на ответы на вопросы учащихся па пройденной теме Уделяется...
Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
Предмет нацелен на ознакомление студентов со всеобщей историей тюрков Евразии и Ближнего Востока в период с древних времен по сегодняшний...
Заочный факультет iconУчебная программа курса (силлабус) Факультет: Гуманитарный факультет
На этом уроке рассматривается самый древний период тюркского языка – древнетюркский период. Идет детальное изучение языка и грамматических...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org