Курс лекций по физике. Механика, молекулярная физика, термодинамика. Электричество и магнетизм
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общая физика
Издательство:
Ставропольский государственный аграрный университет
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 168
Дополнительно
Доступ онлайн
В корзину
В данном пособии в краткой и доступной форме изложен основной теоретический
материал, необходимый студентам для успешного изучения разделов курса физики
«Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электричество и магнетизм»
согласно Федеральному государственному образовательному стандарту (ФГОС) и рабочей
программы данной дисциплины. Приведено большое количество примеров и иллюстраций,
помогающих студентам лучше усвоить основные определения и законы.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 23.03.03: Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов
- 35.03.06: Агроинженерия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Ставропольский государственный аграрный университет Стародубцева Г. П., Хащенко А. А. Курс лекций по физике Механика, молекулярная физика, термодинамика. Электричество и магнетизм Ставрополь 2017
Ставропольский государственный аграрный университет Стародубцева Г. П., Хащенко А. А. Курс лекций по физике Механика, молекулярная физика, термодинамика. Электричество и магнетизм Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому и техническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: 35.03.06 – Агроинженерия, 23.03.03 – «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов Ставрополь 2017
Рецензенты: Доктор физико-математических наук, профессор Симоновский Александр Яковлевич Кандидат физико-математических наук, доцент Копылова Оксана Сергеевна Печатается по рекомендации методической комиссии Электроэнергетического факультета СтГАУ (протокол №405 от 5.12.2016 г.) Стародубцева Г. П., Хащенко А. А. Курс лекций по физике. Механика, молекулярная физика, термодинамика. Электричество и магнетизм : учебное пособие для студентов аграрных вузов, обучающихся по направлениям: 35.03.06 – Агроинженерия и 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов. Ставрополь, 2017 – 168 с. В данном пособии в краткой и доступной форме изложен основной теоретический материал, необходимый студентам для успешного изучения разделов курса физики «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электричество и магнетизм» согласно Федеральному государственному образовательному стандарту (ФГОС) и рабочей программы данной дисциплины. Приведено большое количество примеров и иллюстраций, помогающих студентам лучше усвоить основные определения и законы. УДК 53 (076.5) © Г.П. Стародубцева, А.А Хащенко 2017 © Ставропольский государственный аграрный университет, 2017
СОДЕРЖАНИЕ Раздел 1. Механика…………………………………………………….3 Тема № 1. Кинематика материальной точки…………………………...3 Тема № 2. Динамика материальной точки…………………………….13 Тема № 3. Силы в природе……………………………………………..20 Тема № 4. Работа. Мощность. Энергия………………………………..28 Тема № 5. Динамика твердого тела……..……………………………..34 Тема № 6. Механические колебания…………..………………………42 Тема № 7. Механические волны…..…………………………………...56 Раздел 2. Основы молекулярной физики и термодинамики……64 Тема № 8. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа….....64 Тема № 9. Основы термодинамики………………………………........77 Раздел 3. Электричество и магнетизм……………………………..90 Тема № 10. Основные силовые характеристики электрического поля………………………………………………………………………90 Тема № 11. Основные энергетические характеристики электрического поля…………………………………………………...97 Тема № 12. Основы электродинамики электрических полей различных типов……………………………………………………….103 Тема № 13. Основные законы постоянного электрического тока……………………………………………………………………...114 Тема № 14. Основные законы электрических цепей постоянного тока……………………………………………………………………...122 Тема № 15. Электрический ток в различных средах………………..132 Тема № 16. Магнитное поле постоянного тока……....……………...142
Тема № 17. Основы электромагнетизма…………………….……….142 Тема № 18. Основные законы и характеристики переменного тока……………………………………………………………………...153 Литература…………………………………………………………….166
Раздел 1. Механика Тема № 1 «Кинематика материальной точки». План: 1. Предмет Физика. Механика. Кинематика. Система отчета. Материальная точка. Траектория. Длина пути. Перемещение. 2. Скорость как производная радиус вектора по времени. 3. Ускорение. Равноускоренное движение. 4. Составляющие ускорения. Тангенциальное и нормальное ускорение. 5. Вращательное движение. Угловая скорость и угловое ускорение. 6. Связь угловых и линейных величин. 7. Равномерное движение по окружности. 1. Понятие механика, физика, кинематика появились в древней Греции в 7 6 в.в. до н.э. Еще в древней Греции говорилось о первичности материи и о материальности окружающего наc мира. Материя существует в виде вещества и полей: гравитационных, электрических, электромагнитных, атомных, ядерных и др. Задача физиков не только объяснить те или иные явления, но и создать целостное представление о мире. Эйнштейн писал: ''Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых возможно получить картину мира''. Первым известным физиком механиком в истории человечества был Архимед, который уделял большое внимание созданию различных приборов в том числе и военного оборудования. Механика – (''механе'' – орудие, приспособление, уловка, ухищрение, позволяющие перехитрить природу). В механике рассматривается движение тел. Механическим движением называется изменение положение тела относительно других тел с течением времени. Кинематика – раздел физики в котором изучается движение тел, но не исследуются причины вызывающие это движение.
Для исследования движения вводится понятие материальная точка – тело, обладающее массой размерами которого можно пренебречь при решении данной задачи. Рис. 1. Движение рассматривается в пространстве и во времени, относительно тела отсчета, которое условно считается неподвижным. Тело отсчета, система координат и часы, отсчитывающие время, образуют систему отсчета. Чаще всего движение рассматривается в декартовой системе координат (рис. 1). Положение точки в системе координат определяется координатами х, у, z или радиус вектором r проведенным из начала координат в данную точку. При движении материальной точки ее координаты изменяются с течением времени, то есть являются некоторыми функциями времени, и ее движение описывается тремя скалярными уравнениями ) ( ), ( ), ( t z z t y y t x x или одним эквивалентным векторным уравнением ) (t r r . При своем движении материальная точка описывает траекторию. Траектория – это линия вдоль которой движется тело в пространстве. Рассмотрим перемещение точки из положения А в положение В за промежуток времени t (рис. 2). АВ – траектория; S - путь или длина пути (длина траектории); S - скаляр, измеряется в [м]. Положение точки в А характеризуется радиусом вектором 0r , а положение точки в В характеризуется радиус векторам r . 0r r r вектор перемещения – направленный отрезок прямой, соединяющий начальную и конечную точки движения. r - вектор – характеризуется направлением и численным значением. x z y A x y Z y x A z B o Рис. 2.
2. Для характеристики движения вводится понятие скорость. Скорость – это физическая величина, характеризующая быстроту и направление движения. Пусть материальная точка движется таким образом, что в начальный момент времени ее положение описывается радиус вектором 0r , а спустя промежуток времени t радиус вектором r . Рис. 3. В положении А точка имела скорость 0 , а в положении В скорость (рис. 3). За промежуток времени t точка совершила перемещение r . Разделив перемещение r на соответствующее этому перемещению время t получим значение средней скорости: t r (1.1) Предельное значение средней скорости при 0 t называется мгновенной скоростью: dt dr t r t t 0 0 lim lim (1.2) Мгновенная скорость - это первая производная радиус вектора по времени. При 0 t , r S и численное значение мгновенной скорости определяется выражением: dt dS t S t 0 lim (1.3) Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории в сторону движения. Выразив S из (1.3) уравнения, получим dt dS . Для того чтобы найти пройденный путь, последнее выражение необходимо проинтегрировать от t до t t : t t t dt S . Равномерным называется движение с постоянной скоростью, при котором тело (точка) за равные промежутки времени проходит равные расстояния. υ A B o υ
При прямолинейном равномерном движении ( const ) длина пути S и перемещение r равны по модулю, формула для расчёта пройденного пути при равномерном движении имеет вид: t S S , где S - путь – [м]; Δt - время –[с]; с м скорость 3. Ускорение – физическая величина, которая характеризует быстроту изменения скорости как по величине, так и по направлению. Пусть за время t, скорость изменилась на величину . Величина среднего ускорения определяется по формуле: t a (1.4) a - ускорение 2 с м . Предел, к которому стремится среднее ускорение, при t→0 называется мгновенным ускорением (первая производная скорости по времени): dt d t a t 0 lim (1.5) Известно, что скорость – это dt dS . Подставив значение скорости в формулу мгновенного ускорения, получим: 2 2 dt S d dt dS dt d a Таким образом, мгновенное ускорение – это вторая производная пути по времени Равноускоренное движение – движение с постоянным ускорением (a = const). Пусть точка имела начальную скорость 0, а спустя время dt- конечную скорость , тогда ускорение точки определится выражением: dt a 0 dt a 0 скорость при равнопеременном движении. При движении без начальной скорости ( 0 = 0):
dt a Для определения пути проинтегрируем последнее выражение от 0 до t. t t at t dt at dt S 0 0 2 0 0 2 . Путь без учета времени при равноускоренном движении определяется по формуле: ,0 при 2 0 2 0 2 a S a 2 S 2 . Выразим скорость при равноускоренном движении без учета времени и при 0 0 . aS 2 (1.6) 4. При прямолинейном поступательном движении все точки тела описывают одинаковые траектории. Вектора ускорения и скорости направлены вдоль одной прямой, при ускоренном движении - в одну сторону, а при замедленном движении - в противоположные стороны. При криволинейном движении ускорение может составлять со скоростью некоторый угол α. Разложим а на две составляющие: n а - нормальное и а - тангенциальное ускорение. а направлено вдоль вектора скорости и n а перпендикулярно ему (рис. 4). Рис. 4. а тангенциальное ускорение характеризует изменение вектора скорости по величине (модулю) и определяется по формуле: dt d а ; n а - нормальное ускорение - характеризует изменение вектора скорости по направлению и определяется по формуле: R аn 2 , Где R – радиус кривизны траектории данного участка пути.
Модуль полного ускорения определяется по теореме Пифагора: 2 2 2 a а а n , 2 2 a а а n . Рассмотрим примеры движения материальной точки в следующих случаях: 1) 0 0 a an - равномерное прямолинейное движение 2) 0 a const an - равномерное движение по окружности 3) const a const an - равноускоренное движение по окружности 4) const a an 0 - равноускоренное прямолинейное движение. Выведем формулу нормального ускорения. R О А В С D α ΔS n 0 R Рис. 5. Пусть точка, имея скорость 0 в А, переместилась в положение В и ее скорость стала (рис. 5). Для того, чтобы найти изменение скорости , перенесем параллельным переносом из В в А. Разложим на и n . Из подобия равнобедренных треугольников ОАВ и АДС следует: R AB CD (1.7) Из чертежа видно, что n CD (1.8) t AB (1.9) Подставив правые части уравнений (1.8.) и (1.9) в (1.7) получим: R t n (1.10) умножим обе части на получим: R t n 2 .
При R a dt d t t n n n t 2 0 lim 0 . R an 2 (1.11) 5. Абсолютно твердым телом называется тело, деформациями которого можно пренебречь в данных условиях. Вращательным называется движение, при котором все точки твердого тела описывают окружности, центры которых лежат на неподвижной оси ОО/. Для характеристики вращательного движения вводится понятие угла поворота - (рис. 6). Пусть материальная точка вращается по окружности радиусом R и за время t перемещается из положения А в положение В (рис. 7). I II О′ Δφ О Рис. 6. А В О О Рис. 7. За это время радиус-вектор совершил поворот на угол . Отношение угла поворота ко времени t , за которое этот поворот произошел, называется средней угловой скоростью: t (1.12) Перейдя к пределу в (1.12) уравнении при 0 t мы получим значение мгновенной угловой скорости: dt d t t lim 0 (1.13) dt d (1.14)
Доступ онлайн
В корзину