КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ульяновский государственный технический университет»

 

 

КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ

ПО ФИЗИКЕ

Методические указания для студентов дневной формы обучения машиностроительного факультета    

Механика. Материальная точка. Движение материальной точки. Скорость и ускорение произвольно движущейся точки

Рис. 1.1 Наиболее просто описать поведение тела, если можно приять это тело за материальную точку. Материальной… , (1.1) где - векторы, указывающиенаправление осей Ox, Oy, Oz и равные по модулю единице.

Кинематика вращательного движения

Рис. 1.4   Быстроту вращения м. т. характеризует угловая скорость , равная первой производной от вектора углового перемещения по…

Динамика движения материальной точки. Законы Ньютона

Все тела изменяют свою скорость не мгновенно, а постепенно при их взаимодействии с другими телами, то есть обладают инертностью.Количественной… В основе классической механики движения материальной точки лежат три закона… 1 закон Ньютона рассматривает движение тела в отсутствии его взаимодействия с другими телами. Тело покоится или…

Закон всемирного тяготения.

Сила тяготения, сила тяжести, вес тела

. (2.1) Коэффициент G= 6,67 × 10-11Н·м2/кг2 был определен экспериментально и… Силу, с которой Земля притягивает тела, находящиеся на поверхности Земли или близи ее поверхности, определяющую…

Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции

–= . Пусть результирующая всех сил, обусловленных действием на данное тело со… .

Центр масс. Закон сохранения импульса

Под центром масс системы тел понимают точку в пространстве, положение которой относительно какой-либо ИСО определяется радиус-вектором : (2.6) где –сумма масс тел (м.т.) системы; –радиус-вектор i- го тела (м.т.) системы.

Кинетическая энергия. Работа. Мощность

(v<< c). Умножив левую и правую части уравнения на перемещение , получим: или

Потенциальная энергия

Силы, не удовлетворяющие отмеченному выше свойству, называют диссипативными силами. Сила трения – это диссипативная сила. Назовем определенное расположение тел в пространстве конфигурацией этой… Изменение конфигурации (взаимного расположения тел) приводит к изменению потенциальной энергии системы. Увеличение…

Вращательное движение твердого тела. Момент инерции. Теорема Штейнера

Если прямая линия, проведенная через две точки этого тела, остается параллельной самой себе, то такое движение твердого тела называют… При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям, центры… J = mr2 , (3.1)

Кинетическая энергия вращающегося твердого тела

Определим выражение кинетической энергии для тела, вращающегося вокруг выделенной оси (рис. 3.2). Разобьем тело на отдельные материальные точки. Для… . Так как , то Рис. 3.2 где и

Основное уравнение динамики вращательного движения

Если тело, закрепленное на неподвижной оси О, приходит во вращательное движение под действием некоторой силы (рис. 3.3), то эта сила совершает над… Рис. 3.3 Так как , а то где - момент силы.

Силы трения. Статическое и кинематическое трение

Остановимся на классификации сил трения. Внутренним трением (вязкостью)называют явление, которое состоит в возникновении касательных сил,… Внешним трением называют явление, заключающееся в возникновении в местах…

Статическое трение

Рис. 3.4 Если к телу, лежащему на горизонтальной плоскости (рис. 3.4), приложить малую силу , направленную по… силысила статического трения также будет возрастать. Из опыта известно, что… опытным путем установили следующий закон статического трения: предельное значение F0 силы статического трения прямо…

Кинематическое трение

Fск=f'N, (3.12) гдеf' – коэффициент трения скольжения, а N– сила нормального давления.… Остановимся на причинах, вызывающих трение скольжения. Во время движения одного тела относительно другого происходит…

Условие неразрывности потока жидкости

    Рис. 4.1    

Уравнение Бернулли

Изменение кинетической энергии этих объемов V1 и V2 определяется работой сил тяжести и сил давления, действующих на выделенные объемы со стороны… Учитывая незначительность объемов V1 и V2, можно записать:  

Сила внутреннего трения

Рис. 4.2   Рассмотрим следующий опыт. В жидкость погружаются две параллельные друг другу пластины (рис. 4.2) на расстоянии dдруг…

Ламинарное и турбулентное течение

При увеличении скорости или поперечных размеров потока характер движения существенным образом изменяется. Возникает энергичное перемешивание… Английский ученый Рейнольдс установил, что характер течения зависит от…

Преобразования Галилея. Принцип относительности Галилея

Рис. 4.3   В классической механике считается, что предельная скорость передачи взаимодействия в природе может быть бесконечно…

Никакими механическими опытами, находясь внутри ИСО, нельзя установить, движется она равномерно и прямолинейно или покоится;

Все законы механики выглядят, записываются одинаково во всех ИСО;

Все механические явления протекают одинаково во всех ИСО;

Все законы механики инвариантны относительно преобразований Галилея.

Под инвариантной величиной понимают величину, принимающую одинаковые значения во всех ИСО; инвариантная формула записывается одинаково во всех ИСО.

Покажем, что второй закон Ньютона инвариантен относительно преобразований Галилея. Для этого рассмотрим, как преобразуются масса и ускорение при переходе из одной системы отсчета в другую. В классической механике масса тела является инвариантной величиной (m= m^'), ход времени во всех ИСО одинаков (t= t^'), и закон сложения скоростей выглядит таким образом:

,

где считается, что тело движется в СОК и К^' со скоростями и , направленными вдоль осей Ох и Ох^'. Тогда можно записать:

что и требовалось показать.

 

Специальная теория относительности. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца

Созданная Эйнштейном в 1905 г. специальная теория относительности представляет собой физическую теорию пространства и времени. Основу этой теории образуют два постулата, которые носят названия принципа относительности Эйнштейна и принципа постоянства скорости света.

Приведем несколько эквивалентных формулировок принципа относительности Эйнштейна:

Никакими физическими опытами, находясь внутри ИСО, нельзя установить, движется она равномерно и прямолинейно или покоится;

Все законы физики выглядят, записываются одинаково во всех ИСО;

Все физические явления протекают одинаково во всех ИСО;

Согласно второму постулату специальной теории относительности скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и не зависит от движения источника и… С помощью постулатов Эйнштейна можно показать, что координаты и время в разных…  

Следствия из преобразований Лоренца

. Из данных формул видно, что в случае, если события в системе К пространственно… Продолжительность явления.Пусть в одной и той же точке с координатой х' = асистемы К' происходит явление, которое…

Релятивистский закон сложения скоростей.

  СОК': u' = u'x = dx'/dt', u'y = 0, u'z = 0; СОК: u= ux = dx/dt, uy = 0, uz = 0.

Релятивистские выражения массы и импульса тела

  , (5.4)  

Релятивистское выражение для энергии

или

Электрические заряды. Закон Кулона

В замкнутой системе выполняется закон сохранения электрического заряда, который формулируется следующим образом: алгебраическая сумма электрических…   q1 + q2 + … =const.

Потенциальная энергия. Потенциал. Работа сил электрического поля

Покажем, что электростатическое поле является потенциальным. Для этого рассчитаем работу кулоновской силы при перемещении точечного положительного…   (6.2)

Напряженность поля. Принцип суперпозиции полей

  (6.5)  

Связь между потенциалом и напряженностью

и dA= – dU= – d(qφ). Так как q= const, а , то (6.9) где El – проекция вектора на произвольное направление. В соответствии с формулой (6.9)

Графическое изображение электростатических полей

В случае однородного поля (рис. 6.2∂) в каждой точке которого вектор одинаков и по модулю, и по направлению, линии представляют собой прямые,… Рис. 6.2

Электрическое поле в диэлектрике

К диэлектрикам относятся вещества в которых нет свободных зарядов или их число настолько мало, что они не оказывают существенного влияния на их… Параметр ε описывает ослабление силы взаимодействия напряженности поля ,… Молекулы среды характеризуются электрическим дипольным моментом. Электрическим диполем называют систему двух…

Поле заряженного проводника

Рассмотрим, что произойдет, если проводнику сообщить избыточный заряд. В условиях равновесия избыточного заряда справедливы следующие утверждения. … 1. Электрическое поле внутри проводника отсутствует, а объем проводника и его…  

Электроемкость уединенного проводника.

Электроемкость конденсатора

(8.2) не будет зависеть ни от qни от φ, он называется электроемкостью… (8.3)

Энергия заряженного тела, конденсатора.

Энергия электрического поля

где учтено, что W1 = 0. Учитывая, что q= cφ, для энергии заряженного уединенного проводника можно записать

Электродвижущая сила. Закон Ома для неоднородного участка цепи

Возьмем замкнутую электрическую цепь, содержащую источник тока. Рассмотрим как происходит движение положительного заряда (+q) по этой цепи (рис.… Рис. 8.4 Во внешней части цепи сопротивлением … Rпод действием кулоновских сил заряд (+q) перемещается от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом.…

Правила Кирхгофа

Для формулировки первого правила Кирхгофа введем понятие узла электрической цепи – это точка цепи, в которой сходятся три и более проводников. Тогда… согласно которому алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

Сила Лоренца. Закон Ампера

(9.4) Модуль магнитной силы равен

Магнитное поле в веществе

Рис. 9.5 Качественно возникновение собственного…

Опыты Фарадея. Явление электромагнитной индукции

В опытах Фарадей магнитный поток, пронизывающий первый контур (катушку 1), изменялся различными способами (рис. 10.1): 1) замыкалась и размыкалась цепь второго контура; 2) с помощью реостата изменялась сила тока второго контура;

Токи Фуко

Токи Фуко могут приводить и к нежелательным явлениям – нагреву сердечников трансформаторов, электродвигателей и т. д. Поэтому сопротивление… Нужно также отметить, что возникновение индукционного тока при пропускании по… Явление скин-эффекта наиболее заметно в СВЧ-диапазоне (диапазон сверх высоких частот ν ~ 1010 Гц), в этом случае…

Явления самоиндукции и взаимоиндукции

Рис. 10.4 Возьмем контур, по которому протекает ток I. Он создает в окружающем пространстве магнитное поле, линии… потока самоиндукции при протекании по цепи тока.В случае, когда контур… ψS = LI,

Второе уравнение Максвелла в интегральной форма. Ток смещения

Следовательно, в теореме о циркуляции вектора к источникам магнитного поля в виде токов проводимости добавляется еще один источник, который Максвелл… . (10.11) Формула (10.11) получила название закона полного тока. Под током смещения Iсм понимают скалярную физическую величину,…

Уравнения Максвелла

  1. 2.

Гармонические колебания

Не смотря на большое разнообразие колебательных процессов, как по физической природе, так и по степени сложности, все они совершаются по некоторым… К периодическим колебаниям относят колебания, при которых описывающие их… Рис. 11.1. Рассмотрим колебания, происходящие под действием упругой силы, например…

Сложение гармонических колебаний

Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты

,. Результирующее движение, равное сумме колебаний х1 и х2, будет гармоническим… . (11.10)

Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

, (11.16) где ∆φ – разность фаз обоих колебаний. Чтобы получить уравнение траектории движения в обычном виде, нужно исключить из уравнений (11.16) параметр t. Из…

Затухающие колебания

  , где r– коэффициент сопротивления. Знак минус указывает, что сила трения всегда направлена в сторону, противоположную…

Вынужденные колебания

, (12.8) где - вынуждающая сила, ω – частота силы. Известно, что решением этого уравнения (12.8) является следующее выражение:

Вынужденные колебания в цепи переменного тока

  , (12.13) где I0 – амплитуда тока, φ – сдвиг фаз между приложенным напряжением и током.

Мощность в цепи переменного тока

  . (12.19)  

Векторы и скаляры

Величины, для задания которых необходимы числовое значение и направление, называют векторами. Примерами векторов являются, например, перемещение,… Модуль вектора – скаляр, причем всегда положительный. Показанная на рис. П. 1а… . (П.1)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Валишев М. Г., Повзнер А. А. Курс общей физики: Учебное пособие. – Издательство «Лань», 2010. – 576 с.

2. Лозовский В. Н. Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 1/ Под редакцией В. Н. Лозовского. – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 576 с.

3. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики: Учебное пособие для втузов: В 3 т. Т. 1. – М., «Высшая школа», 1973. – 364 с.

4. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики: Учебное пособие для втузов: В 3 т. Т. – 2. М., «Высшая школа», 1977. – 375 с.

5. Савельев И. В. Курс общей физики: Учебное пособие в 3 т. Т. 1. – М. «Наука», 1982. – 432 с.

6. Савельев И. В. Курс общей физики: Учебное пособие в 3 т. Т. 2. – М. «Наука», 1982. – 496 с.