Модуль 3. Статика. Механика жидкостей и газов. Механические колебания и волны.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФГБОУ ВПО

“ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Физика

Учебно-МЕТОДИЧЕСКоЕ пособие для практических

занятий И самостоятельной работы студентов БАКАЛАВРИАТА ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ «аГРОИНЖИНЕРИЯ» (МЕХАНИКА)

Орел 2013

УДК 531(072.8)

ББК 22.34 я73

ф 50

физика.Учебно-МЕТОДИЧЕСКоЕ пособие для практических занятий И самостоятельной работы студентов БАКАЛАВРИАТА ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ «АГРОИНЖЕНЕРИЯ» (МЕХАНИКа) / Зубова И.И., Гришина С.Ю., Тверская Н.В., Гольцова Л.И. - Издательство ОрелГАУ, 2013. – с.175

Рецензенты:

Матюхин С.И. - д.ф-м.н., декан Естественнонаучного факультета ФГБОУ ВПО «Госуниверситета-УНПКа»;

Александрова Е.В. - к.п.н., доцент кафедры математики ФГБОУ ВПО Орел ГАУ.

Составители:

3убова И.И. – к.п.н., доцент кафедры физики ФГБОУ ВПО Орел ГАУ;

Гришина С.Ю. – к. ф-м. н., и.о. зав. кафедрой физики ФГБОУ ВПО Орел ГАУ;

Гольцова Л.И. – ассистент кафедры физики ФГБОУ ВПО Орел ГАУ.

© Зубова И.И., Гришина С.Ю., Гольцова Л.И.

© Издательство ОрелГАУ, 2013

Введение

Основные физические законы и формулы лежат в основе всех технических наук, знания которых необходимы будущим специалистам-аграриям.

Настоящее учебно-методическое пособие ставит своей целью оказание помощи студентам по организации самостоятельной работы при подготовке к практическим занятиям по курсу физики (раздел “Механика”). Оно составлено на основе федеральных государственных образовательных стандартов 3 поколения для специалистов и бакалавров по направлению “Агроинженерия”.

Методическое пособие построено с учетом модульного обучения, сущность которого состоит в делении учебного материала на логически завершенные блоки (модули).

Тематическое планирование раздела физики “Механика” представлено программой для бакалавров по направлению “Агроинженерия”.

Модуль I. Кинематика материальной точки.

Кинематика материальной точки. Векторный и координатный способы задания движения. Скорость и ускорение. Движение с постоянным ускорением. Формулы для скорости и координаты точки, движущейся с постоянным ускорением, их зависимость от времени на графиках. Движение тела, брошенного вертикально вверх.

Кинематика материальной точки. Криволинейное движение и естественный способ задания движения. Скорость. Вычисление пути, пройденного телом.

Закон движения и пройденный путь. Ускорение при криволинейном движении. Нормальное и тангенциальное ускорения. Ускорения при криволинейном движении в векторной форме. Физический смысл тангенциального и нормального ускорений. Криволинейное движение с постоянным ускорением: 1) движение тела, брошенного горизонтально; 2) движение тела, брошенного под углом к горизонту.

Кинематика вращательного движения материальной точки. Угловая скорость, угловое ускорение и их связь с соответствующими линейными величинами.

Средняя и мгновенная угловые скорости и ускорение. Период, частота равномерного движения. Связь между угловыми и линейными величинами скорости, ускорения. Единицы измерения. Уравнение вращательного движения. Угловая скорость как векторная величина. Связь между векторами линейной и угловой скоростей. Вектор углового перемещения. Формула Эйлера. Угловое ускорение как вектор. Ускорение точки при вращательном движении. Полное линейное ускорение. Центростремительное и тангенциальное ускорения для ускоренного и замедленного движения. Равномерное и равнопеременное вращение материальной точки.

Кинематика колебательного движения. Гармонические колебания. Сложение колебаний.

Скорость и ускорение точки при гармонических колебаниях. Классификация колебаний. Одномерное гармоническое колебательное движение. Векторные диаграммы. Сложение колебаний одного направления. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Зависимость траектории от частоты колебаний.

Модуль 2. Динамика.

Законы Ньютона. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Инерция и инертность. Масса. Единицы измерения массы. Сила. Измерение силы. Единицы измерения силы. Второй закон Ньютона. Принцип независимости действия сил. Способы проявления сил. Классификация фундаментальных взаимодействий. Классификация сил в механике. Прямая и обратная задача механики. Расчет силы, действующей на материальную точку, если ее движение задано векторным, координатным или естественным способом. Второй закон Ньютона в общей форме. Третий закон Ньютона. Границы применимости механики Ньютона. Какова роль законов Ньютона в механике.

Трение. Трение покоя. Трение скольжения. Трение качения. Роль силы трения покоя при качении тел. Закон Кулона для сил трения качения. Значение сил трения в природе и технике. Жидкое трение.

Импульс точки и механической системы. Импульс системы материальных точек. Уравнение, связывающее импульс системы и силы, действующие на нее. Укажите условия выполнения закона сохранения импульса. Движение центра масс системы. Связь между импульсом системы и скоростью движения центра масс. Импульс системы материальных точек в системе координат, связанной с центром масс. Внутренние силы и движение центра масс. Движение тел переменной массы. Уравнение Мещерского и Циолковского.

Работа и энергия. Работа постоянной силы. Мощность. Единицы измерения. Выражение для мощности. Кинетическая энергия. Связь между работой силы, действующей на точку, и изменением кинетической энергии этой точки. Потенциальная энергия. Работа при перемещении тела в поле консервативных сил. Потенциальная энергия тела, поднятого над землей, и упруго деформированного тела. Закон сохранения энергии в консервативной и неконсервативной системах.

Применение законов сохранения к анализу удара. Абсолютно неупругий удар. Выражение для скорости двух неупруго столкнувшихся шаров. Работа внутренних неконсервативных сил при деформации шаров и кинетическая энергия шаров после их соударения. Абсолютно упругий удар. Центральный удар двух упругих шаров.

Механика твердого тела. Момент импульса системы материальных точек и его связь с моментом внешних сил. Связь момента импульса системы материальных точек с моментами внешних сил, действующих на данную систему. Движение системы под действием центральных сил. Закон сохранения момента импульса системы. Второй закон Ньютона для вращательного движения твердого тела. Основное уравнение динамики вращательного движения. Теорема Штейнера. Вычисление моментов инерции тел простой формы: стержня, тонкостенного цилиндра (обода), сплошного диска, шара. Гироскоп.

Модуль 3. Статика. Механика жидкостей и газов. Механические колебания и волны.

Статика. Уравнения равновесия материальной точки в проекциях: 0; 0. Условия равновесия тела: 0; 0. Координаты центра тяжести системы материальных точек на плоскости.

Механика жидкостей и газов. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости. Следствия из уравнения Бернулли. Скорость истечения жидкости из небольшого отверстия в широком сосуде - формула Торричелли. Определение реакции вытекающей струи. Приборы для измерения давления и скоростей в жидкостях, водоструйные насосы, гидравлические турбины, реактивное движение и др. Движение вязкой жидкости. Внутреннее трение в жидкостях и газах. Формула Ньютона для сил трения. Физический смысл коэффициента вязкости и единицы измерения этого коэффициента. Скорость течения вязкой жидкости по цилиндрической трубе. Формула Пуазейля. Ламинарное и турбулентное течения жидкости и число Рейнольдса.

Гармонические колебания. Маятники. Движение под действием упругих и квазиупругих сил. Пружинный маятник. Дифференциальное уравнение колебания пружинного маятника. Математический, физический и крутильный маятники. Энергия колеблющегося тела. Дифференциальные уравнения колебаний математического, физического и крутильного маятников. Кинетическая, потенциальная и полная энергия маятников. Затухающие колебания. Характеристики затухающих колебаний и их связь с параметрами колеблющейся системы. Вынужденные колебания.

Элементы специальной теории относительности.

В учебно-методическом пособии к каждому разделу модуля даны краткие теоретические сведения, основные формулы, примеры решения типовых задач, вопросы для самоконтроля и задачи для самостоятельного решения.

К каждому модулю предлагаются теоретические вопросы, примерные варианты контроля знаний, тестовые задания для подготовки к отчету.

Отчет по модулю проходит в два этапа:

- первый этап – компьютерное тестирование по основным положениям и понятийному аппарату дисциплины. Модуль I, II включают по 10-15 тестовых заданий. На тестирование отводится до одного часа времени.

- второй этап – выявление знания логических связей дисциплины, умений решать задачи, в том числе комплексных, по соответствующим разделам физики – проводится в письменной форме с последующим собеседованием.

Для успешного усвоения материала проводится рейтинговая оценка учебной деятельности студента.

Безупречное усвоение изучаемых студентом в семестре разделов физики оценивается в 100 рейтинговых баллов (в Таблице 1 дано соответствие рейтинговых баллов академическим оценкам).

Таблица 1

Шкала пересчета рейтинговых баллов в традиционные академические оценки

По результатам промежуточных этапов контроля в семестре (отчетам по темам модулей и расчетно-графическим работам) максимальное количество рейтинговых баллов равно 60. Также студент в течение семестра может набрать дополнительно еще 25 баллов за домашнее решение задач и при отчете лабораторных работ.

Предусматривается система поощрительных баллов (до 15) за участие студентов в научно-исследовательской работе, а также олимпиадах по физике.

Если суммарный результат, набранный в течение семестра, равен 55 баллам и выше, то студент получает зачет или экзаменационную оценку (по шкале) без участия в итоговом аттестационном испытании.

Студент, пропустивший контрольные мероприятия по уважительной причине, сдает отчет по индивидуальному графику на зачетной неделе в конце семестра.

У студентов, набравших менее 55 баллов, и студентам, которых не удовлетворяют общий набранный балл в семестре и соответствующая ему академическая оценка, предлагается сдача письменного экзамена в экзаменационную сессию по билету, содержащему вопросы по всем разделам физики, изучаемым в семестре. Максимальная сумма баллов, которую при этом может набрать студент, – 85.

Использование 100-балльной шкалы обеспечивает более высокую степень дифференциации оценки (например, оценке “отлично” соответствует диапазон от 85 до 100 баллов). Особенно это заметно при изучении разделов, завершающихся зачетом.

Количество промежуточных этапов контроля учебной работы студентов, форму проведения контроля, сроки и максимальную оценку их в рейтинговых баллах устанавливают на заседании кафедры физики. Преподаватель кафедры, ведущий занятия со студенческой группой, обязан информировать группу об этом решении на первом занятии в семестре.