Раздел 2. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 

Введение

Физика - наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи.

Курс физики вместе с другими дисциплинами цикла общих математических и естественнонаучных дисциплин составляет основу теоретической подготовки инженеров и играет роль фундаментальной физико-математической базы, без которой не возможна успешная деятельность инженеров любого профиля.

Дисциплина “Физика” представляет собой целостный и фундаментальный курс, единый в своих частях и демонстрирующий роль физики как основы всего современного естествознания.

Изучение курса физики совместно с другими дисциплинами цикла способствует формированию у студентов современного естественнонаучного мировоззрения. Целостность курса физики является одной из фундаментальных предпосылок для воспитания образованного специалиста.

Цель настоящих методических указаний – оказать помощь студентам заочной формы обучения технических специальностей КГУ в изучении курса физики.

Общие методические указания

Дисциплина «Физика» изучается студентами всех технических специальностей заочной формы обучения Курганского государственного университета в течение трех семестров.

Основной формой обучения студента заочной формы обучения является самостоятельная работа над учебным материалом. Эта работа организуется и направляется кафедрой общей физики КГУ. Преподаватели кафедры читают студентам установочные и обзорные лекции, проводят консультации, практические и лабораторные занятия, осуществляют текущий и итоговый контроль приобретенных знаний.

Процесс изучения физики студентами заочной формы обучения в каждом из учебных семестров состоит из следующих этапов:

1) проработка установочных и обзорных лекций;

2) самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;

3) выполнение и защита контрольных работ;

4) прохождение лабораторного практикума;

5) сдача зачетов (если они предусмотрены учебным планом) и экзаменов.

 

Важнейшим аспектом самостоятельной работы студентов является выполнение контрольных работ. Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал курса. В процессе изучения физики студент должен выполнить три контрольные работы (по одной в семестр). Контрольные работы рецензируются преподавателем и, в случае необходимости, отправляются на доработку. Обязательным элементом является последующая защита контрольной работы студентом, которая может происходить как в течение семестра, так и во время сессии.

Основные разделы курса физики для инженерно - технических специальностей распределены по контрольным работам следующим образом.

Первая контрольная работа включает в себя физические основы механики, основы молекулярной физики и термодинамики.

Вторая - физические основы электродинамики и волновую оптику.

Третья - элементы квантовой физики, квантовые статистики и физики твердого тела, элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.

Вариант задания контрольной работы для каждого студента определяет преподаватель.

 

Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами, приведенными в методических указаниях.

Каждая контрольная работа оформляется в отдельной тетради. На титульном листе должны быть указаны: номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилия и инициалы студента, номер учебной группы, шифр и домашний адрес.

При решении задач по физике необходимо:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Полностью переписать условие задачи в тетрадь. Сделать краткую запись, выразить все данные в СИ. Если позволяет характер задачи, необходимо сделать рисунок, поясняющий ее сущность.

2. Уточнить, какие величины требуется найти в результате решения задачи. Дать определения этих величин, записать для них соответствующие математические соотношения.

3. Установить круг физических явлений, относящихся к данной задаче, и физические законы, лежащие в их основе. Записать в общем виде математические выражения этих законов, а также соотношения между величинами, характеризующими установленные явления с количественной точки зрения.

4. Переписать все уравнения в соответствии с условиями задачи. (Ввести обозначения величин, учесть начальные и конечные условия, число состояний и количественный состав представленной в задаче физической системы).

5. Исходя из полученных соотношений, составить замкнутую систему уравнений (число уравнений совпадает с числом неизвестных). Решить ее любым известным математическим методом. (Следует помнить, что в ряде случаев "лишние" неизвестные могут сокращаться в процессе промежуточных математических преобразований).

6. Если конечное выражение для искомой величины является достаточно сложным, то его правильность желательно проверить методом размерности.

7. Необходимо помнить, что численные значения физических величин всегда являются приближенными. Поэтому при расчетах надо руководствоваться правилами действий с приближенными числами. (Приложение 4).

Отметим, что для инженерных расчетов, как, впрочем, и для большинства физических, достаточна точность, обеспечиваемая тремя значащими цифрами.

8. Получив численный ответ, оценить его правдоподобность с позиций современной физики.

 

2. Содержание курса «Физика»

(I семестр изучения)

 

Введение. Предмет физики

Раздел I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

 Предмет механики. Понятие состояния в классической механике. Основные задачи механики.

 

Тема 1. Элементы кинематики

1.1. Физические модели: материальная точка (частица), система материальных точек, абсолютно твердое тело, сплошная среда. Пространство и время. Степени свободы и обобщенные координаты.

1.2. Кинематическое описание движения. Прямолинейное и криволинейное движение точки. Радиус кривизны траектории. Связь линейного и углового перемещений. Поступательное и вращательное движение твердых тел.

1.3. Скорость как производная по времени: радиус-вектора – для поступательного и углового перемещения - для вращательного движений. Связь линейной и угловой скоростей.

1.4. Ускорение как 2-я производная по времени радиус-вектора и углового перемещения. Нормальное и касательное (тангенциальное) ускорения. Связь линейных и угловых характеристик.

1.5. Кинематические уравнения движения.

 

Тема 2. Динамика частиц и твердого тела

2.1. Динамика поступательного движения материальной точки. Масса. Постоянство и аддитивность массы. Импульс. Сила. Принцип независимости действия сил.

2.2. Первый закон Ньютона (закон инерции). Второй закон Ньютона (основной закон динамики). Сила как производная импульса по времени. Третий закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета.

2.3. Динамика поступательного движения системы материальных точек и твердого тела. Внешние и внутренние силы. Замкнутая система материальных точек. Центр масс, теорема о его движении.

2.4. Динамика вращательного движения. Момент инерции относительно оси вращения. Теорема Штейнера. Момент импульса.

2.5. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения.

2.6. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.

2.7. Кинематика и динамика жидкостей и газов. Уравнение Бернулли. Вязкость.

 

Тема 3. Законы сохранения

3.1. Закон сохранения импульса. Уравнение движения тела с переменной массой. Формула Циолковского.

3.2. Закон сохранения момента импульса. Физические основы гироскопа.

3.3. Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Работа силы и ее выражение через криволинейный интеграл. Мощность. Кинетическая энергия. Кинетическая энергия механической системы и ее связь с работой внешних и внутренних сил, приложенных к системе.

3.4. Поле как форма материи, осуществляющая взаимодействие между частицами вещества. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальное поле. Потенциальная энергия материальной точки во внешнем силовом поле и ее связь с силой, действующей на материальную точку.

3.5. Закон сохранения энергии в механике. Общефизический закон сохранения энергии. Диссипация энергии.

3.6. Соударение тел.

 

Тема 4. Элементы специальной (частной) теории относительности (СТО)

4.1. Инерциальные системы отсчета и принцип относительности. Преобразования Галилея.

4.2. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Следствия преобразований Лоренца.

4.3. Релятивистский импульс. Уравнение движения релятивистской частицы. Взаимосвязь массы и энергии, энергии и импульса.

 

 

Тема 5. Гармонический и ангармонический осцилляторы

5.1. Гармонические колебания. Амплитуда, круговая частота, фаза гармонических колебаний.

5.2. Колебания: груз на пружине, математический и физический маятники, колебательный контур.

5.3. Гармонический осциллятор. Энергетические соотношения. Ангармонический осциллятор.

5.4. Сложение скалярных и векторных колебаний одного направления и одной частоты. Сложение колебаний близких по частоте. Биения.

5.5. Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний. Фигуры Лиссажу. Спектральное разложение и его физический смысл.

5.6. Свободные затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент.

5.7. Вынужденные колебания осциллятора. Свойства вынужденных колебаний. Случай резонанса.

Раздел 2. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 

 

Предмет статистической (молекулярной) физики и термодинамики.

 

Тема 6. Макроскопические состояния

6.1. Тепловое движение. Макроскопические параметры. Равновесные состояния и процессы, их изображения на термодинамических диаграммах. Интенсивные и экстенсивные параметры.

6.2. Идеальный газ. Уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов для давления. Средняя кинетическая энергия молекул. Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры.

6.3. Уравнение состояния идеального газа (Менделеева - Клапейрона). Изопроцессы и их уравнения. Законы Дальтона и Авогадро.

6.4. Число степеней свободы молекул. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул.

6.5. Закон Максвелла для распределения молекул по скоростям и энергиям теплового движения. Средняя арифметическая и наиболее вероятная скорости теплового движения молекул.

6.6. Барометрическая формула. Распределение Больцмана для частиц во внешнем силовом поле.

6.7. Эффективное сечение рассеяния. Среднее число столкновений и длина свободного пробега молекул.

6.8. О явлениях переноса в термодинамических неравновесных системах. Опытные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Молекулярно-кинетическая теория этих явлений.

 

Тема 7. Основы термодинамики и ее связь с молекулярно-кинетической теорией идеальных газов

7.1. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа газа при изменении его объема. Первое начало термодинамики.

7.2. Теплоемкость многоатомных газов. Зависимость теплоемкости идеального газа от вида процесса.

7.3. Применение 1-го начала термодинамики к изопроцессам и адиабатическому процессу идеального газа.

7.4. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс (цикл). Тепловые двигатели и холодильные машины.

7.5. Цикл Карно. Максимальный кпд тепловой машины. Независимость кпд цикла Карно от природы рабочего тела. Второе начало термодинамики.

7.6. Энтропия, ее статистическое толкование. Порядок и беспорядок в природе. Энтропия и второе начало термодинамики. Третье начало термодинамики (теорема Нернста). Термодинамические функции состояния.

7.7. Отступление от законов идеальных газов. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса и его анализ. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Фазы и фазовые превращения. Условия равновесия фаз. Критическое состояние (точка).

7.8. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля - Томпсона.

7.9. Фазовые переходы I и II рода. Диаграммы состояния. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса.

7.10. Макросистемы вдали от равновесия. Идеи синергетики.

 

Список литературы

 

Основная литература

 

1. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Изд.центр «Академия», 2003.

3. Савельев И.В. Курс физики. Т.1-3. – М.: Наука, 1989.

4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1977.

 

 

Электронная учебно – методическая литература

1. Козел С.М., Соболева Н.Н. Учебный компьютерный курс «Открытая физика 1.1». Долгопрудный: ООО «ФИЗИКОН», 2001.

Дополнительная литература

 

1. Суханов Л.Д. Фундаментальный курс физики. – М.: Агор, 1996, Т.1.

2. Орир Дж. Физика. Т.1-2. – М.: Мир, 1981, т.1-2.

3. Бордовский Г.А., Бурсиан Э.В. Общая физика: Курс лекций. Т.1,2. – М.: Владос. Пресс, 2001.

4. Кибец И.Н., Кибец В.И. Физика: Справочник. - Харьков: Фолио, 1997.

5. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988.

6. Бутиков Е.Н. Оптика. – М.: Высшая школа, 1987.

7. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.: Наука, 1980.

8. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. Физика процессов эволюции (синергетический подход). – М.: Эдиториал УРСС, 2001.

9. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания. – СПб.: Союз, 2000.

Сборники задач

 

1. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики. – М.: Высшая школа, 1996.

2. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Изд-во физ.-мат. литературы, 2003.

3. Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по курсу физики с решениями. – М.: Высшая школа, 1995.

4. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – СПб.: Книжный мир, 2004.

5. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. – М.: Наука, 1988.

6. Волкова Е.А., Попов А.М., Рахимов А.Т. Квантовая механика на персональном компьютере. – М.: УРСС, 1995.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 274; Мы поможем в написании вашей работы!




Мы поможем в написании ваших работ!