Учебно-методическое пособие КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по физике Учебно-методическое пособие
Министерство образования и науки Российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный строительный университет»
Утверждено
на заседании кафедры физики
08 февраля 2012 г.
Зав. кафедрой физики
__________________/Н.Н. Харабаев/
Учебно-методическое пособие
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по физике
(для бакалавриата всех профилей)
Ростов-на-Дону
| |
Учебно-методическое пособие. Конспект лекций по физике (для бакалавриата всех профилей). – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2012. – 103 с.
Содержится конспект лекций по физике, основанный на учебном пособии Т.И. Трофимовой «Курс физики» (изд-во Высшая школа).
Состоит из четырех частей:
I. Механика.
II. Молекулярная физика и термодинамика.
III. Электричество и магнетизм.
IV. Волновая и квантовая оптика.
Предназначено для преподавателей и студентов в качестве теоретического сопровождения лекций, практических и лабораторных занятий с целью достижения более глубокого усвоения основных понятий и законов физики.
Рекомендуется для самостоятельной работы студентов бакалавриата очной и заочной форм обучения всех профилей по направлениям:
270800 «Строительство»
270200 «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия»
280700 «Техносферная безопасность»
190700 «Технология транспортных процессов»
190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
230400 «Информационные системы и технологии»
230700 «Прикладная информатика»
120700 «Землеустройство и кадастр»
261400 «Технология художественной обработки материалов»
221700 «Стандартизация и метрология»
100800 «Товароведение»
УДК 531.383
Составители: проф. Н.Н.Харабаев
доц. Е.В.Чебанова
проф. А.Н. Павлов
Редактор Н.Е.Гладких
Темплан 2012 г., поз.
Подписано в печать
Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л. 4,0.
Тираж 100 экз. Заказ
_________________________________________________________
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
334022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
© Ростовский государственный
строительный университет, 2012
ЧАСТЬ I. Механика
Тема 1. Кинематика поступательного и вращательного движения.
Кинематика поступательного движения
Движение материальной точки определяется в скалярном виде кинематическими уравнениями: x = x(t), у = y(t), z = z(t), или в векторном виде уравнением: . Траектория движения материальной точки – линия, описываемая этой точкой при её движении в пространстве. В зависимости…Кинематика вращательного движения
Тема 2. Динамика поступательного движения. Законы Ньютона
Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Поэтому первый закон Ньютона называют… Второй закон Ньютона – основной закон динамики поступательного движения –… .Тема 3. Работа. Кинетическая, потенциальная и полная энергия
. Для переменной по величине и направлению силы вводится понятие элементарной… ,Тема 4. Момент инерции твердого тела. Теорема Штейнера
. Для того, чтобы найти момент инерции твердого тела относительно некоторой оси… .Тема 5. Кинетическая энергия и работа вращательного движения Уравнение динамики вращательного движения твердого тела
Так как для твердого тела угловая скорость вращения всех материальных точек, на которые разбито это тело, одинакова, то , где — момент инерции тела относительно его оси вращения.Тема 6. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
Момент импульса является векторной величиной. Вектор направлен по оси вращения в соответствии с правилом правого винта. При вращении твердого тела относительно неподвижной оси отдельные его точки,… Тогда момент импульса твердого телаL равен суммемоментов импульсавсех n материальных точек массами , на которые…Тема 7. Механические колебания. Пружинный маятник
Колебания называютсясвободными (илисобственными), если они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних… Гармоническими колебанияминазываютсяколебания, при которых колеблющаяся… Пружинный маятник – это колебательная система, состоящая из груза массой т, закрепленного на пружине, и совершающая…Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника
Колебания, возникающие под действием внешней периодически изменяющейся силы, называются вынужденными колебаниями. Второй закон Ньютона для вынужденных колебаний пружинного маятника:Тема 8. Гармонические колебания физического маятника
Тема 9. Механические волны
В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны, а в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных направлению… Поперечные волны могут возбуждаться только в твердых телах, в которых… Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими.Тема 10. Механика жидкости. Уравнение Бернулли
. Давление называетсягидростатическим давлением. Гидродинамика. Графически движение жидкостей изображается с помощью линий тока, которые проводятся так, что…Тема 1. Уравнение состояния идеального газа.
Для идеального газа уравнением состояния является уравнение Клапейрона – Менделеева: , где m – масса газа, – молярная масса (масса одного моля вещества),Тема 2. Термодинамические процессы. Изопроцессы.
Из уравнения Клапейрона – Менделеева следует, что , то есть для данной массы газа в любом термодинамическом процессе, что является объединенным… Если в термодинамическом процессе один из параметров газа () не изменяется, то… Процесс, протекающий при постоянном давлении, называетсяизобарным. Из объединенного газового закона для изобарного…Тема 3. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
Идеального газа.
При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа полагают, что соударения молекул газа со стенками сосуда являются… Выделив на стенке сосуда элементарную площадку DS (рис. 1), определяют… 1/6 части всех N молекул, содержащихся в объеме выделенного цилиндра (, где n – концентрация молекул). Коэффициент 1/6…Тема 4. Распределение молекул идеального газа по скоростям.
Если разбить диапазон скоростей молекул на малые интервалы, равные , то на каждый интервал скорости будет приходиться некоторое число молекул ,… , откуда . Применяя методы теории вероятностей, Максвелл нашел вид этой функции:Тема 5. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
Если атмосферное давление на высоте h равно р (рис. 4), то на высоте h+dh оно равно p+dp , причем при dh>0 изменение давления dp<0. Так как dh настолько мало, что при изменении высоты h в этих пределах… , то есть .Тема 6. Явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость).
Диффузия обусловлена переносом массы, теплопроводность – переносом энергии, а вязкость – переносом импульса. Для характеристики необратимых процессов переноса вводятся параметры теплового… Среднее число соударений молекулы за 1 с определяется по формуле:Тема 7. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Работа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.
Внутренняя энергия идеального газа определяется числом степеней свободы его молекул и температурой газа. Числом степеней свободы i механической системы называется количество… Согласно закону о равнораспределении энергии по степеням свободы молекул для термодинамической системы, находящейся в…Работа газа при изопроцессах.
, а первое начало термодинамики для изобарного процесса примет вид: .Тема 8. Теплоемкость газа при изопроцессах. Уравнение Майера.
Удельная теплоемкость вещества – величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 К: . Молярная теплоемкость вещества– величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моля вещества на 1…Уравнение Майера.
Сравнение между собой Ср и СV приводит к уравнению Майера:
.
Это уравнение показывает, что Ср больше, чем СV на величину универсальной газовой постоянной R. Это объясняется тем, что при изобарном нагревании газа, в отличие от изохорного нагревания, требуется дополнительное количество теплоты на совершение работы расширения газа.
Таким образом, молярная теплоемкость газа определяется лишь числом степеней свободы и не зависит от температуры. Это утверждение справедливо в довольно широком интервале температур лишь для одноатомных газов.Уже у двухатомных газов число степеней свободы, проявляющееся в теплоемкости, зависит от температуры.
Тема 9. Адиабатический процесс.
, где – коэффициент Пуассона, равный отношению молярных теплоемкостей . Полученное выражение естьуравнение адиабатического процесса в переменных р и V .Работа газа при адиабатическом процессе.
Если газ адиабатически расширяется от объема V1 до объема V2 , то его температура уменьшается от T1 до T2 и работа расширения идеального газа: . Используя уравнение адиабатического процесса в переменных V и Т , то есть полученное выражение для работы А при…Тема 10. Обратимый и необратимый процессы. Круговой процесс. Тепловая машина и цикл Карно.
Круговым процессом (или циклом) называется процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние. Тепловая машина – это устройство для преобразования теплоты в работу. Принцип действия тепловой машины приведен на рис. 5. От термостата с более высокой температурой Т1 , называемого…ЧАСТЬ III. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО и МАГНЕТИЗМ
Тема 1. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля Электростатическое поле – это особый вид материи, с помощью которой происходит… Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до…Тема 8. Уравнения Максвелла
Для стационарных электрического и магнитного полей
Уравнения Максвелла – это система уравнений, описывающих природу происхождения и свойства электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла для стационарных полей: I. , то есть циркуляция вектора напряженности электростатического поля по произвольному замкнутому контуру L равна…Тема 8. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
В отличие от стационарных полей переменные электрическое и магнитное поля не являются независимыми друг от друга и рассматриваются как… Уравнения Максвелла,как система уравнений, описывающих природу происхождения и… I. , то есть циркуляция вектора напряженности электрического поля определяется скоростью изменения вектора индукции…Уравнение свободных незатухающих гармонических колебаний.
. Исходя из того, что UC=q/C, а I=dq/dt, получаем дифференциальное уравнение… или .ЧАСТЬ IV. Волновая и квантовая оптика
Интерференцией волн называется явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабления колебаний в других точках в результате наложения… Для получения когерентных световых волн применяют метод разделения волны,… Произведение геометрической длины s пути световой волны в данной среде на показатель n преломления этой среды…Условия интерференционного максимума и минимума
(= 0, 1, 2,…) , то колебания, возбуждаемые в точке М обеими волнами, будут происходить в… Если же оптическая разность хода D равна полуцелому числу длин волн l0 , т.е.Тема 3. Дифракция Фраунгофера
Разобьем открытую часть волновой поверхности в плоскости щели MN на зоны Френеля. Ширина каждой зоны выбирается так, чтобы разность хода от краев… Рис. 5 Следовательно, все точки волнового фронта в плоскости щели будут колебаться в одинаковой фазе.Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.
Дифракционная картина на решетке определяется, как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей. Если ширина каждой щели равна а, а… . Рис. 8 Кроме минимумов интенсивности, наблюдаемых от одной (каждой) щели (главные…Тема 6. Корпускулярная оптика
Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Явление внешнего фотоэффекта и его… Энергия hn падающего на металл фотона расходуется на совершение электроном… (уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта).Ml = 0, ±1 .
Учитывая число возможных состояний, соответствующих данному значению главного квантового числа n и правила отбора, спектральные линии атома водорода (рис. 14) в серии Лаймана соответствуют переходам:
np →1s ( n = 2, 3, …) ;
в серии Бальмера – переходам:
np →2s, ns →2p, nd →2p (n = 3, 4,…) и т. д.
Так как поглощающий атом находится обычно в основном состоянии, то спектр поглощения атома водорода состит из линий, соответствующих переходам: 1s→np
(n = 2, 3, ...), что отражается в эксперименте.