Выполнению контрольных работ

Кафедра ОФиФНГП

ФИЗИКА

Методические указания по выполнению контрольных работ № 1, 2 по дисциплине «Физика»

Самара 2014

Печатается по решению методического совета Нефтетехнологического факультета

ББК

УДК

Физика: Методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета, изучающих курс физики. / Самар. гос. технический университет; Составитель Т.Н. Голованова, А.М. Штеренберг. Самара, 2014. 54 с.

Методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета вуза составлены в соответствии с действующей программой по курсу общей физики. В начале каждого раздела приводятся основные законы и формулы, даются примеры решения типовых задач. Контрольные задания предназначены для студентов всех специальностей.

Ил. 24. Табл.3. Библиогр.: 5 назв.

Голованова Т.Н., Штеренберг А.М. 2014

©Самарский государственный технический университет, 2014

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методическое пособие написано для оказания помощи студентам заочного факультета вуза при изучении курса общей физики. Пособие составлено в соответствии с действующей программой по курсу общей физики.

Приводятся основные законы и формулы, необходимые для решения контрольных заданий. Даны примеры решения типовых задач и контрольные задания. Числовые данные в примерах и контрольных заданиях даны с учетом точности соответствующих величин и правил действия над приближенными числами.

Даны две таблицы вариантов контрольных работ по механике (контрольная работа №1) и молекулярной физике с термодинамикой (контрольная работа №2). Таблицы содержат варианты для специальностей, учебными планами которых, предусмотрено по курс физики четыре и шесть контрольных работ. Количество задач и их номера указываются преподавателем. Кроме того в пособии даны методические указания к решению задач и выполнению контрольных работ, а также, справочные материалы.

программа курса физики

для инженерно-технических специальностей

заочного отделения вуза

Часть I

Механика

Скорость и ускорение материальной точки. Тангенциальное и нормальное ускорения. Угловая скорость и угловое ускорение. Законы Ньютона. Силы в механике. Закон сохранения импульса. Работа и кинетическая энергия. Консервативные силы. Потенциальная энергия, ее связь с работой и консервативной силой. Закон сохранения механической энергии. Момент силы и момент импульса. Закон сохранения момента импульса.

Момент инерции твердого тела. Теорема Штейнера. Уравнение динамики вращения твердого тела. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела.

Принцип относительности Галилея. Постулаты специальной теории относительности (СТО). Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Релятивистский импульс. Основное уравнение релятивистской динамики. Энергия в СТО. Взаимосвязь массы и энергии.

Виды механических колебаний. Свободные незатухающие колебания. Сложение гармонических колебаний. Свободные затухающие колебания. Логарифмический декремент. Вынужденные колебания. Механические волны. Характеристики волн. Уравнение плоской волны. Энергия волн. Стоячие волны.

Уравнение Бернулли. Внутреннее трение. Закон Ньютона для внутреннего трения. Движение тел в жидкостях и газах.

Молекулярная физика и термодинамика

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа. Средняя энергия молекул. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Распределение Максвелла и Больцмана. Скорости молекул. Барометрическая формула. Средняя длина свободного пробега молекул. Явления переноса.

Термодинамические состояния и процессы. Работа газа. Внутренняя энергия и количество теплоты. Первое начало термодинамики. Теплоемкость идеального газа. Адиабатический процесс. Тепловые двигатели. Цикл Карно. Второе начало термодинамики. Эн-тропия. Закон возрастания энтропии.

Библиографический список

1. Детлаф А. А., Курс физики: учеб. пособие / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Академия, 2003. – 720 с.: ил.

2. Иродов И. Е. Механика. Основные законы: учеб. пособие / И. Е. Иродов. – М.: Лаборатория знаний, 2005. – 309 с.: ил.

3. Иродов И. Е. Физика макросистем. Основные законы: учеб. пособие / И. Е. Иродов. – М.: Лаборатория знаний, 2004. – 207 с.: ил.

4. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 1. Механика: учеб. пособие. – М.: Астрель, 2003. – 284 с.: ил.

5. Волькенштейн В. С. Сборник задач по общему курсу физики. Изд. 3-е, исп. и доп. – СПб.: Книжный мир, 2005. – 328 с.

Методические указания к решению задач и

выполнению контрольных работ

Решение задач. Систематическое решение задач является необходимым условием успешного изучения курса физики и обычно проводится по следующей схеме.

1. Сделать анализ условия задачи и записать числовые данные, переведя их при необходимости в одну систему единиц.

2. Определить какие законы и формулы лежат в основе решения данной задачи, дать словесную формулировку этих законов, разъяснить буквенные обозначения формул. Если при решении задачи используется формула, полученная для частного случая, не выражающая какой-либо физический закон, или не являющаяся определением какой-либо физической величины, то эту формулу следует вывести.

3. При необходимости выполнить рисунок, поясняющий содержание задачи. Аккуратно выполненный рисунок поможет не только лучше понять условие задачи, но и поможет в выборе необходимого для решения задачи уравнения. Рисунок нужно выполнять при помощи чертежных принадлежностей.

4. Решение задач сопровождается краткими, но исчерпывающими пояснениями, раскрывающими физический смысл употребляемых формул.

5. Все задачи нужно решать в общем виде, т. е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи, а также взятых из таблицы. При таком способе решения не производятся вычисления промежуточных величин, т. е. уменьшается вероятность возможных ошибок. Решение в общем виде позволяет так же провести анализ полученного результата, при этом стимулируется физическое мышление, расширяется представление о рассматриваемом явлении.

6. Для проверки правильности полученного решения необходимо в формулу, выражающую искомую величину, подставить единицы величин, заданных в условии задачи и взятых из таблиц, и убедиться в том, что полученная единица соответствует искомой величине. Если такого соответствия нет, то задача решена неверно.

7. Выразить числовые значения величин, заданных в условии задачи и табличные данные (если они имеются) в одной системе единиц (преимущественно в СИ) и выписать их для наглядности столбиком. Подставить эти значения в окончательную формулу, выражающую искомую величину, и получить числовой ответ. При этом следует обратить внимание на точность числовых данных задачи и на правила действий с приближенными числами, т. к. числовые данные физических величин являются всегда приближенными. Обычно, в числовом ответе при округлении оставляется столько значащих цифр, сколько их содержится в числовом данном задачи, содержащем наименьшее число этих цифр. Числовой ответ следует записывать в виде произведения десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 3250 нужно записать 3,250 , вместо 0,0240 записать 2,4 .

Выполнение контрольных работ.При выполнении контрольных работ необходимо руководствоваться следующим.

1 Номера задач, которые студент должен включить в свою контрольную работу, определяются по таблице вариантов. Номер варианта соответствует последней цифре в шифре студента.

2. Контрольная работа выполняется в обычной школьной тетради, на обложке которой приводятся сведения по следующему образцу

3. Контрольная работа выполняется чернилами. Условия задач записываются полностью без сокращений. Для замечаний преподавателя на страницах тетради оставляются поля.

4. В конце контрольной работы необходимо указать, каким учебным пособием студент пользовался при изучении физики (название учебного пособия, автор, год издания). Это нужно для того, чтобы рецензент в случае необходимости мог указать студенту, что следует изучить для завершения контрольной работы.

5. Высылать одновременно на рецензию нужно не более одной работы.

6. Если контрольная работа не зачтена, то студент обязан представить ее на повторную рецензию, включив в нее те задачи, решения которых оказались неверными. Повторная работа представляется вместе с не зачтенной.

7. Зачтенная работа предъявляется экзаменатору. Студент должен дать во время экзамена пояснения по существу решения задач, входящих в контрольную работу.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

Механика

Основные формулы

Кинематика

1. Средняя скорость и среднее ускорение материальной точки (тела) [2]

где , перемещение точки и приращение скорости за время ; радиус-вектор точки. Используется также средняя скорость, равная отношению пройденного пути S ко времени t, за которое этот путь пройден

(2Ф)

2. Модули скорости и ускорения

где S путь, пройденный материальной точкой.

3. Проекции скорости и ускорения на координатные оси

(5Ф)

4. Модули скорости и ускорения через их проекции на координатные оси

5. Координата точки и проекция скорости на выбранную ось координат при равноускоренном движении

где , начальная координата и проекция начальной скорости.

6. Тангенциальное и нормальное ускорения при криволинейном движении

где радиус кривизны траектории в данной точке, или радиус окружности.

7. Модули угловой скорости и углового ускорения точки, движущейся по окружности,

где угол поворота радиус-вектора точки.

8. Связь между модулями линейных и угловых величин, характеризующих движение точки по окружности,

где линейная скорость.

9. Полное ускорение точки, движущейся по окружности радиуса R,

Динамика

10. Второй закон Ньютона [4]

где равнодействующая сила, действующая на тело (материальную точку) массой m; импульс тела; его скорость; а – ускорение тела.

11. Третий закон Ньютона

Силы, с которыми взаимодействуют два тела, равны по модулю и противоположны по направлению, имеют одинаковую природу и приложены к разным телам.

12. Силы в механике:

а) гравитационная сила или сила тяготения (закон всемирного тяготения)

где G = 6,67 гравитационная постоянная; массы взаимо–действующих тел; R расстояние между телами (тела рассматриваются как матери–альные точки или однородные шары).

б) сила упругости (закон Гука)

где проекция силы упругости; коэффициент упругости (жесткость в случае пружины); проекция перемещения конца пружины или стержня при деформации. Знак «минус» означает, что проекции силы упругости и перемещения конца пружины (стержня) имеют противоположные знаки.

в) сила трения скольжения

где коэффициент трения скольжения; сила нормального давления.

Законы сохранения

13. Закон сохранения импульса [4]

Импульс замкнутой системы остается постоянным, т. е. не меняется со временем. Для двух тел (i = 2)

где скорости тел до взаимодействия; , скорости после взаимодействия.

14. Работа, совершенная силой F при перемещении частицы из точки 1 в точку 2,

(19Ф)

где элементарное перемещение; угол между перемещением и силой .

15. Кинетическая энергия частицы (материальной точки)

16. Связь кинетической энергии с работой

А = ΔЕ_к = Е_к2 – Е_к1 , (21Ф)

где работа всех сил, действующих на частицу; приращение кинетической энергии; , кинетическая энергия в моменты времени и . Выражение (21) обобщается на механическую систему: работа всех сил (внутренних и внешних) равна приращению кинетической энергии системы.

17. Потенциальная энергия:

а) упругодеформированной пружины

б) тела, находящегося в однородном поле силы тяжести

Е_п= mgh, (23Ф)

где h высота тела над уровнем, принятым за нулевой. Формула справедлива при h R, где R радиус Земли.

18. Связь потенциальной энергии с работой консервативных сил

где , потенциальная энергия в точках 1 и 2 консервативного поля (например, поля тяжести Земли). Для механической системы под , следует понимать потенциальную энергию системы в двух ее положениях или конфигурациях (начальном и конечном ).

19. Закон сохранения энергии

Полная механическая энергия E системы, находящейся под действием консерва-тивных сил, сохраняется с течением времени.

Динамика твердого тела

20. Моменты инерции тел массой m относительно оси, проходящей через центр масс: [1]

а) обруча (тонкостенного цилиндра) радиуса R относительно оси, перпендикулярной плоскости обруча,

; (26Ф)

б) диска (сплошного цилиндра) радиуса R относительно оси, перпендикулярной плоскости диска,

в) стержня длиной l относительно оси, перпендикулярной стержню,

21. Теорема Штейнера

Момент инерции тела I относительно произвольной оси равен сумме момента инерции относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведению массы тела m на квадрат расстояния a между осями.

22. Момент импульса тела относительно неподвижной оси вращения Z

где проекция угловой скорости тела на ось Z.

23. Закон сохранения момента импульса тела и системы тел

Для системы тел: I суммарный момент инерции системы; проекция ее угловой скорости.

24. Уравнение динамики твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси Z,

где проекция углового ускорения; результирующий момент внешних сил относительно оси Z.

25. Кинетическая энергия твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси,

26. Кинетическая энергия при плоском движении твердого тела

где момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс; скорость центра масс.

Механические колебания

27. Дифференциальное уравнение свободных незатухающих гармонических колебаний [1]

где x смещение частицы от положения равновесия; циклическая частота свобод–ных колебаний.

28. Период колебаний физического маятника

где I момент инерции маятника относительно оси качания (неподвижной горизон-тальной оси); m масса маятника; g ускорение свободного падения; a расстояние от точки подвеса до центра масс маятника.

29. Период колебаний тела массой m под действием квазиупругой силы

где k коэффициент упругости (жесткость пружины).

30. Приведенная длина физического маятника

31. Кинематическое уравнение гармонических колебаний

(39Ф)

где смещение; амплитуда колебаний; циклическая частота; фаза колебаний; – начальная фаза.

32. Амплитуда A и начальная фаза результирующего колебания при сложении двух колебаний одного направления и одинаковой частоты:

где , амплитуды складываемых колебаний; , начальные фазы колебаний;