Измерение физической величины связано со сравнением её с однородной величиной, принятой за «единицу», то есть с соответствующим эталоном (для этой величины).

Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помощью средств измерения для нахождения значения физической величины в принятых единицах.

Единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возникнут трудности при их сравнении. Поэтому целесообразно ввести систему единиц, охватывающую единицы всех физических величин.

Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких, не зависящих друг от друга, физических величин. Эти единицы называют основными. Остальные же величины и их единицы выводятся из законов (или определений) связывающих эти величины и их единицы с основными единицами. Они называются производными.

В настоящее время обязательна к применению в научной, а также в учебной литературе Система Интернациональная (СИ), которая строится на семи основных единицах – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела – и двух дополнительных – радиан и стерадиан.

1. Метр (м) – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 с (секунды).

2. Килограмм (кг) – масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридие­вого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа).

3. Секунда (с) – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

4. Ампер (А) – сила неизменного тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположен­ным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу (взаи­модействия), равную 2·10 ^-7 Н (Ньютон) на каждый метр длины.

5. Кельвин (К) – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

6. Моль (моль) – количество вещества в системе, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде ¹²С массой 0,012 кг.

7. Кандела (кд) – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан (рад) – центральный угол, опирающийся на дугу, длина которой равна радиусу окружности.

Стерадиан (ср) – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

“Я обнаружил, что все ученые, продвигавшие своими трудами науку (то есть сэр Дж. Гершель, Фарадей, Ньютон, Юнг), хотя и очень сильно отличались друг от друга по складу ума, имели четкость в определениях и были полностью свободны от тирании слов, когда имели дело с вопросами Порядка, Законов и т. п. Этого никогда не смогут достигнуть литераторы и люди, занимающиеся только рассуждениями…”

/Проф. Джеймс Клерк Максвелл/

В настоящее время физика занимает лидирующее положение среди естественных наук. Это определяется богатством и многообразием идей и методов исследования, ис­пользуемых в современной физике, их фундаментальным значением для гносеологии /теории познания/, для формирования миропонимания близкого к материалистическому.

Не менее важно влияние физики и на развитие производительных сил общества. Ряд областей современной техники, таких, как электроника, включая полупроводники и квантовую электронику, вычислительная техника, ядерная энергетика и ракетостроение, современная генетика и др., настолько тесно переплетаются с физикой, что становятся неотъемлемыми от нее. Мы живем в век бурного развития научно технического прогресса, который касается не только новых приложений физической теории в микроэлектронике и измерительной технике, но и в изучении самих основ жизни – уже начаты эксперименты по клонированию человека…

Эти и большое число других примеров показывают важность физики как ведущей дисциплины в системе подготовки хорошо образованного, высококвалифицированного специалиста.

II. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ КУРСА ФИЗИКИ

“Платон мне друг, но истина дороже.”

/Аристотель/

1. Создание у студентов теоретической подготовки, способствующей восприятию активной жизненной позиции, осознанию, что без уверенных знаний определений, фактов и основных физических законов нельзя стать специалистом по “точным наукам”.

2. Формирование у студентов правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов, теории, опирающейся на физические модели, умения правильно оценивать достоверность результатов, полученных с помощью экспери­ментальных или теоретических (математических) методов исследования.

3. Усвоение основных физических явлений и законов классической и современной физи­ки, методов физического исследования.

4. Ознакомление студентов с современной научной аппаратурой и выработка у них пра­вильных представлений о месте и роли эксперимента в научных исследованиях.

“Знание и могущество – одно и то же.”

/Ф. Бэкон/

III. ОБШИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедра проводит установочные и обзорные лекции, практические и лабораторные работы, организует проверку и рецензирование контрольных заданий, проводит консультации, а также прием зачетов и экзаменов.

Для студента процесс изучения физики состоит из следующих видов работ:

· проработка установочных и обзорных лекций;

· самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;

· выполнение контрольных заданий или работа над рефератом;

· сдача зачетов и экзаменов,

При самостоятельной работе над учебным материалом рекомендуется:

· составлять конспект, в котором записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения основных физических понятий, сущность физических явлений и методов исследования;

· изучать курс физики СИСТЕМАТИЧЕСКИ, так как в противном случае ма­териал будет усвоен поверхностно и, в результате, существенно увеличи­ваются затраты времени на его усвоение;

· пользоваться в основном одним учебником или учебным пособием, чтобы не утрачивалась логическая связь между отдельными вопросами;

· нельзя заменять учебное пособие справочником; он не формирует целостной физической картины;

· пользоваться методическими разработками преподавателей;

· пояснения к теме читать и до, и после её изучения по учебнику;

· активно использовать возможность получить консультацию преподавате­ля по физике.

Контрольные задания позволяют закрепить теоретический материал. В процессе изучения курса физики студент-заочник должен выполнить два контрольных задания.

Содержание контрольных заданий по семестрам:

В осеннем семестре изучают следующие разделы программы:

физические основы классической механики, механику жидкостей и газов, эле­менты специальной теории относительности, основы молекулярно кинетической теории, первое и второе начала термодинамики и энтропию; реальные газы, жидкости и твердые тела. Но основное внимание в контрольном задании уделяется разделам: электростатика, постоянный электрический ток, электромагнетизм, явление электромагнитной индукции и электролиз.

В весеннем семестре контрольное задание включают материал следующих разделов:

колебания и волны /механические и электромагнитные/, электрические цепи переменного тока. Рекомендуются для изучения также: геометрическая (линейная) и волновая оптика, тепловое излучение и квантовая оптика; атомная и ядерная физика: элементы квантовой механики, квантовой статистики, физики твердого тела и элементарных частиц.

1-ое контрольное задание включает восемь, а второе – 6 задач. Определение варианта контрольного задания проводится по прилагаемой к нему таблице вариантов и по пояснениям к заданию.

При выполнении контрольных заданий необходимо соблюдать следующие правила:

1) на титульном листе указать дисциплину, номер и тему контрольного задания, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес;

2) контрольное задание следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;

3) задачу своего варианта переписывать полностью, а заданные физические величины выписывать отдельно (столбцом), при этом их числовые значения должны быть переведены в одну систему единиц, например, в СИ;

4) для пояснения решения задач, где это нужно, аккуратно сделать чертеж;

5) решение задач 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) комментируйте получение расчетной формулы, которая нужна для решения задачи, т. е. приведите ее (расчетной формулы) вывод;

8) решение задачи рекомендуется сначала сделать в общем виде, т. е. только в буквенных обозначениях, поясняя все применяемые при написании формул буквенные обозначения;

9) вычисления следует проводить путем подстановки заданных числовых ве­личин в расчетную формулу. Числовые значения величин, необходимые для решения задачи, должны быть выражены в СИ /см. справочные материалы/;

10) проверить единицы измерения для полученных величин по расчетной формуле и тем самым подтвердить правильность формулы;

11) необходимая точность расчета определяется по числу значащих цифр в исходных данных. Константы физических величин и другие справочные данные выбираются из таблиц и округляются до нужной точности;

12) в конце каждого контрольного задания следует указать учебники и учебные пособия, которые использовались при решении задач.

Контрольные задания, представленные без соблюдения указанных правил, а также задания, выполненные не по своему варианту, проверяться не будут.

Зачет контрольного задания производится при устном собеседовании по задачам своего варианта во время консультаций не менее, чем за 2 недели до сессии.

В особых случаях, при необходимости такое краткое собеседование может быть проведено во время сдачи экзамена или зачета за текущий семестр.

Примечание:

1. Возможно, что по контрольному заданию студенту предложат ответить на ряд теоретических вопросов. Письменный ответ на них должен быть четким и кратким.

2. Для самоконтроля после решения каждой задачи следует проводить анализ размер­ности вычисленной величины и применять другие способы проверки ответа. Например, важно тестировать его на “здравый смысл” или частный (предельный) случай.

3. При выполнении контрольного задания рекомендуется по возможности работать са­мостоятельно; при необходимости следует обращаться за консультацией на кафедру к преподавателю.

4. По согласованию с преподавателем, который читает установочные и обзорные лекции, в принципе возможна замена контрольной работы содержательным рефератом. Темы рефератов приведены в данном методическом указании.

Во время установочных сессий возможно проведение демонстрационных экспери­ментов. Их цель – демонстрация тех или иных физических явлений, убеждающих слушателей в правильности теоретических выводов; ознакомление с работой физических приборов, что также способствует более глубокому овладению теоретическим материалом.

На экзаменах в первую очередь проверяется усвоение теоретического материала по программе курса физики, а также умения объяснять факты и явления на основе изученных теоретических положений и применять полученные знания к решению задач по теме курса.

IV. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (расширенная(!))

“Кто решится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?”

/Галилео Галилей/

Ч.I

“Эврика! – Я нашёл!” /Архимед/

(Здесь приведена расширенная программа, а обязательную программу смотрите в разделе XII и там же задачи для комплексного расчетного задания студентам, а экзаменационные вопросы по ней смотрите в разделе XY)

ВВЕДЕНИЕ

Предмет физики, методы физического исследования: опыт, модель физического яв­ления, гипотеза, эксперимент, физический закон, теория – это применение физических зако­нов для решения конкретных задач и для объяснения различных физических явлений. Роль физики в развитии техники и влияние достижений техники на развитие физики.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

Предмет и разделы классической механики. Механическое движение как простейшая форма движения материи. Представления о свойствах пространства и времени, лежащие в основе классической механики. Идеализированные объекты (модели), используемые в ме­ханике. Виды механического движения. Основные понятия кинематики поступательного движения: система отсчета, траектория, путь, перемещение, скорость, ускорение и его тан­генциальная и нормальная составляющие (в естественных координатах).

Динамика движения материальной точки и поступательного движения тела. Основные понятия динамики: масса, сила и ее характеристики, импульс тела, работа силы, единицы измерения (система СИ). I закон Ньютона и понятие об инерциальных системах отсчета, II закон Ньютона, масса как мера инертных свойств тела. Независимость в классической механике массы тела от скорости его движения. III закон Ньютона, как проявление свойства (характеристики) силы описывать взаимодействие тел, понятие взаимодействия в физике. Виды сил в механике: силы упругости, силы трения, силы тяготения. Законы, определяющие величины этих сил. Понятие о гравитационном поле как о среде, через которую осуществляется дееятационное взаимодействие. Поле и вещество – два вида материи, их общие и отличительные свойства. Масса тела – мера его гравитационных свойств. Законы Кеплера, их теоретический вывод дал прекрасное подтверждение верности законов Ньютона.

Импульс тела. Закон сохранения импульса и его связь с однородносью пространства. Принцип реактивного движения и его значение для освоения космоса.

Работа силы (постоянной и переменной). Мощность. Энергия как всеобщая мера движения и взаимодействия. Механическая энергия и ее компоненты. Кинетическая энергия тела и ее связь с работой всех сил, действующих на него. Понятие о делении сил на потен­циальные (консервативные) и диссипативные. Работа консервативной силы и ее связь с по­тенциальной энергией. Потенциальная энергия упруго деформированного тела. Центральные силы – потенциальные силы. Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия. Понятие о градиенте скалярной функции координат. Сила и потенциальная энергия, потенциал и напряженность гравитационного поля, связь между ними. Закон сохранения механической энергии. Всеобщий закон сохранения и превращения энергии как проявление неуничтожимости материи и движения и его связь с однородностью времени. Упругий и неупругий удар тел. Первая и вторая космические скорости.

Элементы кинематики и динамики вращательногодвижения абсолютно твердого тела. Угловой путь, угловая скорость, угловое ускорение и их связь с соответствующими линейными величинами.Момент силы относительно оси. Пара сил, момент пары сил. Момент инерции материальной точкиотносительно произвольнойоси. Момент инерции тела относительно оси, теорема Штейнера. Моментинерция – мера инертных свойств тела при вращательном движении. Моментимпульса тела и закон его изменения.

Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси. Закон сохранения момента импульса и его связь с изотропностью пространства. Кинетическая энергия вращающегося тела, катящегося тела.

Преобразование координат Галилея. Абсолютность пространственных интервалов, линейных размеров тел в классической механике. Закон преобразования скоростей в классической механике. Механический принцип относительности. Общие представления о неинерциальных системах отсчета и силах инерции. Условия дееянной твердых тел.

Границы применимости классической механики как физической теории.

2. ЭЛЕМЕНТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ (ЧАСТНОЙ) ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Постулаты специальной теории относительности (СТО). Преобразование координат Лоренца. Элементы релятивистской кинематики: относительность одновременности событий, промежутков времени между ними и линейных размеров движущихся тел. Интервал между событиями и его инвариантность по отношению к различным инерциальным системам отсчета. Релятивистский закон сложения скоростей.

Элементы релятивистской динамики; релятивистский импульс, основной закон реля­тивистской динамики, “зависимость массы тела от скорости его движения” и инвариантность массы покоя, работа и кинетическая энергия тела, взаимосвязь массы и энергии (масса тела – мера его энергосодержания), энергия покоя тела. Соотношение между энергией тела (частицы) и его импульсом. Энергия связи системы.

Инварианты специальной теории относительности.

Соотношение между классической механикой инерциальных систем отсчета и деея­альной теорией относительности. Принцип соответствия. Границы применимости специаль­ной теории относительности.

Понятие об общей теории относительности. Принцип эквивалентности сил инерции и гравитации. Общая теория относительности и понятие о космологических теориях.

3. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамический метод изучения макроскопических систем. Термодинамические параметры (объем, давление, температура). Равновесные состояния и процессы.

Основные положения молекулярно–кинетической теории вещества иихопытное обоснование. Используемые понятия: масса молекулы, ее эффективный диаметр, скорость, импульс, энергия молекулы, концентрация молекул, число столкновений в единицу времени, длина свободного пробега. Масса вещества, количество вещества, плотность (частиц). Распределение молекул по объему (Гаусса).

Идеальный газ – модель, заменяющая реальный газа, основные приближения модели. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Статистический смысл параметра “давление”. Связь между средней кинетической энергией поступательного движения молекул и температурой. Средняя квадратичная скорость. Уравнение Менделеева – Клапейрона и его частные случаи для изопроцессов. Понятие о классической статистике. Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла). Функция распределения. Экспериментальная проверка распределения Максвелла – опыт Штерна. Наиболее вероятная, средняя арифметическая и средняя квадратическая скорости молекул. Распределение Больц­мана для частиц во внешнем силовом поле.

Внутренняя энергия системы как функция состояния. Компоненты внутренней энергии системы и способы их изменения. Работа газа. Количество теплоты. Первое начало термодинамики и его применение к изопроцессам. Теплоемкость (тела, молярная и удельная), теплоемкость при постоянном давлении, при постоянном объеме.

Классическая молекулярно–кинетическая теория теплоемкости газа и границы ее применимости.

Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Диффузия, внутреннее трение, теплопроводность, молекулярно–кинетическая трактовка этих явлений.

Обратимые и необратимые процессы, круговой процесс (цикл). Идеальный цикл Карно и его КПД. Тепловые двигатели и холодильные машины. Второе начало термодинамики. Энтропия как функция состояния системы. Закон возрастания энтропии. Статистический смысл второго начала термодинамики и критика его идеалистического толкования.

Жидкое состояние вещества. Поверхностный слой жидкости, поверхностная энергия, поверхностное натяжение. Явление смачивания. Формула Лапласса. Капиллярные явления.

Особенности строения твердых тел. Модель структуры кристалла, кристаллическая решетка. Анизотропия физических свойств – основное свойство кристалла. Характер тепло­вого движения в кристаллах. Дефекты структуры кристалла и их влияние на физические свойства. Поликристаллы. Аморфное состояние вещества. Полимеры. Виды деформаций. Механические свойства твердых тел: упругость, пластичность, прочность, хрупкость, твердость. Диаграмма растяжения. Тепловые свойства твердых тел; тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость. Закон Дюлонга и Пти (для теплоемкости) и его недостатки.

4 ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Предмет электростатики. Взаимодействие электрических зарядов. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона, электрическая постоянная. Электростатическое поле, его силовая и энергетическая характеристики – напряженность и потенциал. Напряжен­ность как градиент потенциала. Графическое изображение электростатических полей (опре­деление силовой линии). Принцип суперпозиции. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского-Гаусса и ее применение для расчета полей симметричных заряженных тел.

Вещество в электростатическом поле. Диэлектрики, проводники, полупроводники. Виды диэлектриков. Поляризация диэлектриков, степень поляризации. Поляризованность, диэлектрическая восприимчивость и проницаемость, электрическое поле в диэлектрике. Вектор электрического смещения.

Проводники в электростатическом поле. Распределение зарядов в проводнике. Поле внутри проводника и у его поверхности, электростатическая защита. Электроемкость уе­диненного проводника. Энергия заряженного проводника. Конденсаторы. Электроемкость конденсатора, единица ее измерения. Соединения конденсаторов (параллельное или по­следовательное) в батарею, ее емкость. Энергия заряженного конденсатора. Энергия эле­ктростатического поля. Объемная плотность энергии.

5 ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Постоянный электрический ток и его характеристики: сила тока, вектор плотности тока и единицы их измерения. Классическая электронная теория проводимости металлов Друде – Лоренца (без вывода), ее опытные обоснования. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме, закон Видемана – Франца. Разность потенциалов, ЭДС и напряжение, сопротивление, удельное сопротивление и проводимость, единицы измерения. Обобщенный закон Ома в интегральной форме. Границы применимости закона Ома. Закон Джоуля – Ленца в интегральной форме. Затруднения классической теории проводимости металлов. Сопротивление участка цепи с последовательным или параллельным соедине­нием проводников. Ток в электролитах (законы Фарадея), ток в газах. Плазма. Правила Кирхгофа для расчета сложных электрических цепей.

Работа выхода электрона из металла. Контактные и термоэлектрические явления. Термопары. Термоэлектронная эмиссия. Вакуумные электронные приборы.

6 ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Магнитное поле. Действие магнитного поля на контур с током. Магнитный момент контура с током. Вектор магнитной индукции – силовая характеристика поля. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитных полей. Вихревой характер магнит­ного поля. Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Эталон силы тока 1 Ампер и значение магнитной постоянной. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Релятивистское толкование магнитного взаимодействия проводника с током и движущегося электрического заряда. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Эффект Холла. МГД – генератор.

Поток вектора (магнитный поток). Теорема Остроградского-Гаусса (для вектора магнитной индукции). Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Вывод закона электромагнитной индукции на основе закона сохранения и превращения энергии (Гельмгольца). Явление само- и взаимоиндукции. Индуктивность и единица ее измерения. Индуктивность соленоида. Энергия проводника с током. Плотность энергии магнитного поля.

Магнитные свойства вещества. Гиромагнитное отношение. Магнитные моменты электрона, атома. Намагниченность, магнитная восприимчивость и проницаемость вещества. Типы магнетиков: диа-, пара- и ферромагнетики, их природа. Магнетики во внешнем магнитном поле. Специфические особенности ферромагнетиков. Понятие о Ферритах.

Основы электромагнитной теории Максвелла. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной и дифференциальной форме. Относительный характер электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля.

V. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 54; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!