Бойко В.В. та iн. Фізика. Модулі 1, 2, 3: 1 Механіка, 2 Молекулярна фізика та термодинаміка, 3 Електрика

Подождите немного. Документ загружается.

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І

ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

КАФЕДРА ФІЗИКИ

ФІЗИКА

МОДУЛІ 1,2,3

1. МЕХАНІКА

2. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА ТА ТЕРМОДИНАМІКА

3. ЕЛЕКТРИКА

МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК

для студентів технічних спеціальностей

КИЇВ 2010

УДК 530(076)

Представлено, відповідно до кредитно – модульної системи,

модуль 1 „Механіка”, 2 „Молекулярна фізика, термодинаміка” та 3.

„Електрика” з дисципліни ФІЗИКА для студентів технічних

спеціальностей денної та заочної форми навчання. Наведено основи

теорії, опис лабораторних робіт, задачі та запитання для контрольних

робіт та самостійної роботи, розглянуто приклади розв’язування

задач. Наведено вказівки щодо самостійної роботи, методику

виконання контрольних робіт, поради до розв’язку задач та

довідковий матеріал.

Рекомендовано Вченою радою навчально – наукового інституту

енергетики і автоматики Національного університету біоресурсів і

природокористування України.

Укладачі: доц. В.В. Бойко, доц. Г.І. Булах, доц. Я.О. Гуменюк, доц.

П.П. Ільїн, асист. М.В. Малюта

Рецензенти: проф. Л.С.Червінський., доц. А.В. Міщенко

ФІЗИКА

МОДУЛІ 1,2,3

1. МЕХАНІКА

2. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА ТА ТЕРМОДИНАМІКА

3. ЕЛЕКТРИКА

МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК

для студентів технічних спеціальностей

Укладачі: БОЙКО Володимир Васильович,

БУЛАХ Григорій Іванович,

ГУМЕНЮК Ярослав Олександрович

ІЛЬЇН Петро Петрович,

МАЛЮТА Микола Володимирович

Відповідальний за випуск доц. В.В. Бойко

Зав. Видавничим центром НУБіП України А.П. Колесніков

Редактор І.В.Сикотюк

Підписано до друку 30.06.10 Формат 60 х 84 1/16.

Ум. друк. арк. 9,5 Обл.-вид. арк. 8,2

Наклад 200 прим. Зам. № 3061

Видавничий центр НУБіП України.

03041, Київ, вул. Героїв Оборони, 15.

ПЕРЕДМОВА

У посібнику представлено, відповідно до кредитно –

модульної системи, модуль 1 „Механіка”, 2 „Молекулярна фізика

та термодинаміка та 3. „Електрика” з дисципліни фізика для

студентів інженерних спеціальностей вищих аграрних навчальних

закладів денної та заочної форми навчання. Наведено основи

теорії, опис лабораторних робіт, задачі та запитання для

контрольних робіт та самостійної роботи, розглянуто приклади

розв’язування задач. Наведено вказівки щодо самостійної роботи,

методику виконання контрольних робіт, поради до розв’язку задач

та довідковий матеріал.

Вивчення дисципліни „Фізика” для всіх спеціальностей

інженерного профілю в Національному аграрному університеті, як

і в більшості інших вищих аграрних закладах, проходить в двох

семестрах (за виключенням порівняно нових спеціальностей

„Технологія деревообробки” та „Електротехнічні системи

електроспоживання”, де вона вивчається три семестри). При

цьому аудиторні заняття передбачають, в основному, лекційні та

лабораторні заняття. Практичні ж заняття або не передбачені

зовсім, або складають незначний відсоток загального обсягу

аудиторного навантаження. Зміни в навчальних робочих планах

вивчення дисципліни за останні роки та введення кредитно –

модульної системи навчання приводять до зростання ролі

самостійної роботи студентів. Саме тому випуск цього посібника

є своєчасним. Він може бути використаний і для проведення та

підготовки практичних занять, контролю та самоконтролю

знань у вигляді контрольних робіт.

Лабораторний практикум (лабораторні роботи, короткі

теоретичні відомості до них, порядок їх виконання) створювався

на протязі багатьох років співробітниками кафедр загальної та

технічної фізики і біофізики НАУ (професори Іскра В.Д., Посудін

Ю.І., доценти Бойко В.В., Косенко О.І., Ольховська Ж.П., ст. викл.

Шаровський Б.В., ас. Малюта). В посібнику використані

матеріали цієї багаторічної роботи, вони опубліковані в ряді

методичних рекомендацій цих співробітників і вказані в списку

використаної та рекомендованої літератури. Автори посібника

окремо відмічають вклад проф. Іскри В.Д. (вступ до лабораторного

практикуму, що використано в даній роботі ) та виражають

вдячність за співпрацю по створенню цього посібника.

Дисципліна фізика разом з вищою математикою, інформатикою,

хімією являє собою основу теоретичної підготовки фахівців в аграрних

ВНЗ інженерного профілю, тобто ту фундаментальну базу, без якої

неможливе повноцінне вивчення дисциплін циклу професійної та

практичної підготовки таких фахівців.

Внаслідок вивчення дисципліни «Фізика» студенти повинні

знати:

- основні фізичні величини, одиниці їх вимірювань, основи

теорії похибок та правила обробітку результатів вимірювань;

- фундаментальні поняття й теорії класичної та сучасної фізики з

тим, щоб ефективно опанувати спеціальні навчальні дисципліни та

використати знання фізичних закономірностей у майбутній діяльності;

- методи розв'язування практичних фізичних задач та проблем;

- принципи дії приладів, у тому числі електронно -

обчислювальної апаратури;

вміти:

- проводити математичну і статистичну обробку результатів

вимірювань;

- користуючись фізичними положеннями, законами і теоріями,

застосовувати набуті теоретичні та практичні знання внаслідок

вивчення спеціальних дисциплін і в майбутній роботі зі спеціальності;

- пояснювати фізичні процеси та явища, які відбуваються під

час роботи різних інженерних пристроїв в аграрному секторі;

- уявляти основні принципи дії та застосовувати сучасні фізичні

методи і прилади на практиці.

Таким чином, основною метою дисципліни “Фізика” є

послідовне викладення студентам основних законів і положень

фізики, які допомагають вивчати загальні закономірності явищ

природи; використовувати дані закони в оперативному розв’язанні

інженерних проблем в аграрному секторі; висвітлення можливих

прикладних застосувань фізичних методів і приладів у практичній

діяльності.

ЗМІСТ МОДУЛІВ 1, 2, 3

МОДУЛЬ 1 ”МЕХАНІКА”

1. 1

. Кінематика та динаміка поступального руху

1.1.1. Принципи інерції та відносності

Система відліку. Простір, час, рух. Матеріальна точка. Абсолютно

тверде тіло. Параметри руху (радіус-вектор, переміщення, швидкість,

прискорення). Принцип інерції та його аналіз. Принцип відносності

Галілея. Властивості простору і часу в інерціальних системах.

Елементи теорії відносності. Перетворення Лоренца. Релятивістська

механіка.

1.1.2. Поступальний рух

Прямолінійний і криволінійний рух. Траєкторія. Кінематика

поступального руху. Динаміка поступального руху. Сила, маса. Закон

збереження кількості руху. Робота, енергія, потужність. Закон

збереження енергії.

1.2. Кінематика та динаміка обертального руху

Параметри руху. Кінематика обертального руху. Момент сили.

Момент інерції. Момент інерції матеріальної точки та твердого тіла.

Теорема Штейнера. Момент інерції диска, циліндра, стержня відносно

різних осей. Робота, енергія, потужність при обертальному русі. Закон

збереження моменту кількості руху.

1.3. Кінематика та динаміка коливального руху

Маятники. Диференціальні та кінематичні рівняння коливань.

Параметри коливань. Вільні коливання. Швидкість, прискорення та

енергія коливального руху. Складання коливань. Загасаючі коливання.

Диференціальне та кінематичне рівняння коливань. Параметри

коливань. Декремент загасання. Коефіцієнт загасання. Час релаксації.

Аперіодичні коливання.

Вимушені коливання. Параметри коливань. Резонанс. Автоколивання.

Хвилі, механізм їх утворення. Рівняння хвилі. Довжина хвилі.

Хвильовий вектор. Акустичні хвилі, їх характеристики. Ефект

Доплера. Звук, його характеристики.

1.4. Сили

Консервативні системи. Сила тяжіння. Закон всесвітнього

тяжіння. Прискорення вільного падіння. Робота сили тяжіння.

Космічні швидкості.

Сили пружності. Закон Гука в двох формах запису. Модуль Юнга.

Деформації реальних тіл.

Сила тертя. Види тертя. Коефіцієнт тертя. Залежність сили тертя

від швидкості руху та інших факторів. Внутрішнє тертя. Закон

Ньютона для внутрішнього тертя.

МОДУЛЬ 2.”МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА ТА ТЕРМОДИНАМІКА”

2.1. Молекулярно-кінетична теорія ідеальних газів

Статистичний і термодинамічний методи дослідження. Стан

термодинамічної рівноваги. Параметри стану. Квазістаціонарні

процеси, їх графічне зображення.

Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеальних газів.

Молекулярно-кінетична інтерпретація температури. Середня

кінетична енергія молекули. Закон рівномірного розподілу енергії за

ступенями вільності.

Закон Максвела про розподіл молекул газу за швидкостями.

Дослід Штерна. Розподіл Больцмана. Барометрична формула.

2.2. Явища переносу

Середнє число зіткнень і середня довжина вільного пробігу

молекул.

Градієнт фізичної величини. Дифузія, закон Фіка. Внутрішнє

тертя, закон Ньютона. Теплопровідність. Закон Фур'є. Загальна

характеристика явищ переносу.

2.3. Основи термодинаміки

2.3.1. Перший закон термодинаміки

Робота газу при зміні об’єму. Внутрішня енергія термодинамічної

системи. Перший закон термодинаміки, його застосування до різних

ізопроцесів у газах. Теплоємності ідеального газу С

і С

. Робота газу

в різних ізопроцесах. Адіабатичний процес. Рівняння Пуасона.

2.3.2. Другий закон термодинаміки

Направленість процесів природи. Другий закон термодинаміки.

Зворотній і незворотній процеси. Цикл Карно. ККД циклу Карно.

Фізична причина незворотності процесів природи. Ентропія та її

фізичний зміст. Принцип зростання ентропії.

2.3.3. Реальні гази

Обмеженість дії закону Бойля-Маріотта. Поправки Ван-дер-Ваальса.

Рівняння стану реального газу. Ізотерми Ван-дер-Ваальса. Скраплення

газів. Внутрішня енергія реального газу. Ефект Джоуля-Томсона.

2.2.4. Рідини

Характеристики структури рідини. Поверхневий натяг.

Змочування. Краєвий кут. Меніски. Капілярний ефект.

МОДУЛЬ 3. ЕЛЕКТРИКА

3.1. Електростатичне поле та його характеристики

Закон Кулона. Електричне поле. Напруженість електричного

поля. Напруженість поля точкового заряду. Принцип суперпозиції

електричних полів. Графічне зображення електричного поля.

Електричне зміщення. Теорема Остроградського-Гаусса, її

застосування. Робота в електростатичному полі. Потенціал, різниця

потенціалів. Циркуляція вектора напруженості електростатичного

поля.

3.2. Електричне поле в діелектриках

Вільні і зв'язані заряди. Типи діелектриків. Електричний диполь,

його поведінка в електричному полі. Вектор поляризації.

Напруженість електричного поля в діелектрику. Сегнетоелектрики,

електрети. П'єзоелектричний і електрострикційний ефект.

3.3. Провідники та їх енергія в електричному полі

Розподіл зарядів у провіднику. Поверхнева густина заряду.

Електроємність провідника. Конденсатори. Ємність плоского,

циліндричного, сферичного конденсаторів. Електроємність Землі.

Ємність системи конденсаторів. Енергія системи електричних зарядів.

Енергія зарядженого провідника. Енергія, яка накопичена у

конденсаторі, її об'ємна густина.

3.4. Закони постійного струму

Електричний струм та його характеристики. Сила та густина

струму. Падіння напруги та електрорушійна сила. Закон Ома.

Електропровідність, електричний опір. Закон Джоуля-Ленца. Закони

Ома та Джоуля-Ленца у диференціальній формі.

3.5. Класична теорія електропровідності

Носії електричного заряду. Рух носіїв під дією електричного

поля. Рухливість носіїв. Закони Ома та Джоуля-Ленца як наслідок з

класичної теорії електропровідності.

3.6. Елементи фізичної електроніки

Види електричних емісій. Робота виходу електрона.

Термоелектронна емісія та її закони. Електронні лампи – діод та тріод,

електронно-променева трубка. Електричний розряд у газах. Пінч-

ефект.

1. МОДУЛЬ 1 „МЕХАНІКА”

1.1. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕОРІЇ

Основи кінематики

Параметри руху (радіус-вектор, переміщення, швидкість,

прискорення).

Положення матеріальної точки (МТ) у системі координат (та в

системі відліку) можна дати двома еквівалентними способами:

вказати значення всіх трьох координат

x, y, z МТ, або вказати

значення її радіус - вектора

, тобто вектора, що проведений у МТ з

початку координат (0,0,0) . Координати

x , y , z МТ є при цьому

проекціями радіус-вектора

на осі x, y ,z. Використовуючи одиничні

вектори

kji

,, можна виразити радіус - вектор через його проекції:

kzjyixr

++= .

При русі точки її координати та радіус-вектор змінюються з часом.

Функціональні залежності координат точки або її радіус - вектора від

часу називаються кінематичними рівняннями руху матеріальної

точки :

x =x(t) , y =y(t) , z =z(t) (1)

або

)(

. (2)

Три рівняння (1) є скалярними, а рівняння (2) – векторним.

Траєкторією МТ називається сукупність всіх точок , які проходить

точка в процесі руху . Це і є та крива лінія , вздовж якої проходить рух

матеріальної точки. Залежно від форми траєкторії говорять про

прямолінійний та криволінійний рух , а серед криволінійних -

виділяють рух по колу. Механічний рух є відносним : його характер та

траєкторія залежить від вибору системи відліку .

Вектор, що з’єднує початкове та кінцеве положення радіус-вектора

називається вектором переміщення (рис. 1). Вектор переміщення ,

таким чином, є зміною радіус-вектора чи приростом радіус-вектора.

Довжина відрізка траєкторії (довжина дуги ) з точки 1 в точку 2

називається шляхом. Шлях – скалярна величина, на відміну від

переміщення, що є векторною величиною. Модуль вектора

переміщення завжди за величиною менший або рівний величині

шляху. При прямолінійному русі модуль вектора переміщення рівний

пройденому шляху.

Кінематичне рівняння руху матеріальної точки (центра мас твердого

тіла) при русі вздовж однієї осі x:

)(

де

)(

– деяка функція часу.

Середня шляхова швидкість:

>=<

де

– шлях, який пройшла точка за інтервал часу

. Шлях

на

відміну від різниці координат не може зменшуватись і приймати

від’ємні значення, тобто

0≥

Миттєва швидкість – це похідна радіус-вектора за часом:

=→Δ

абопри 0;,lim

Значення проекції швидкості на одну з осей, наприклад, на вісь

x :

Вектор швидкості направлений у кожній точці траєкторії по дотичній,

а вираз через проекції вздовж осей має вигляд:

Рис. 1.