Добавлен: 02.02.2019
Просмотров: 13134
Скачиваний: 101
Коммерциялық емес акционерлік қоғам
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Физика кафедрасы
ФИЗИКА 1
(5В071900- Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар,
5В070400 - Есептеу техникасы және бағдарламамен қамтамасыз ету,
5В070300-Ақпараттық жүйелер мамандықтарының күндізгі оқу бөлімінің студенттеріне арналған дәрістер жинағы)
Алматы 2011 ж
ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Т.С. Байпақбаев, Р.С. Қалықпаева, Г.К. Наурызбаева. Физика 1. (5В071900- Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар, 5В070400 – Есептеу техникасы және бағдарламамен қамтамасыз ету, 5В070300 – Ақпараттық жүйелер мамандықтарының күндізгі оқу бөлімінің студенттеріне арналған дәрістер жинағы . – Алматы: АЭжБИ, 2010. – 70 б.
Бакалавриаттың (5В071900-Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар, 5В070400 – Есептеу техникасы және бағдарламамен қамтамасыз ету, 5В070300 – Ақпараттық жүйелер мамандықтары үшін «Физика 1» пәні бойынша дәрістердің қысқаша мазмұны берілген. Оқу материалын меңгеру деңгейін анықтайтын оқу мақсаттары келтіріледі. «Физика 1 дәрістер жинағы» пән бойынша оқу үрдісін әдістемелік қамтамасыз ету жүйесінің элементі болып табылады және дәрістік сабақтарда, сондай-ақ студенттердің өзіндік жұмысында теориялық материалдармен жұмыс істеуде, машықтандыру, зертханалық сабақтарына және емтиханға дайындық кезінде таратпа материал ретінде қолдануға болады. Студенттер мен жас оқытушы-ларға ұсынылады.
Без. -21.
Пікір беруші: физ.-мат. ғыл. канд., доц. Искаков Ж.
«Алматы энергетика және байланыс институтының» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2010 ж. баспа жоспары бойынша басылады.
«Алматы энергетика және байланыс университетінің» КЕАҚ, 2011 ж
Мазмұны
Кіріспе 3
1 дәріс. Кіріспе. Материялық нүкте мен қатты дененің кинематикасы 4
2 дәріс. Материялық нүкте мен материялық нүктелер жүйесінің динамикасы 8
3 дәріс. Қатты дененің айналмалы қозғалыс динамикасы 11
4 дәріс. Энергия және жұмыс. Қуат 13
5 дәріс. Механикадағы сақталу заңдары 15
6 дәріс. Салыстырмалылықтың арнаулы теориясы элементтері 19
7 дәріс. Релятивтік динамика элементтері 23
8 дәріс. Статистикалық бөлінулер 24
9 дәріс.Термодинамика негіздері 32
10 дәріс. Теңгерілмеген термодинамикалық жүйелердегі тасымалдану құбылыстары 38
11 дәріс. Вакуумдегі электрстатикалық өріс 43
12 дәріс. Электрстатикалық өрістегі диэлектриктер 48
13 дәріс. Электрстатикалық өрістегі өткізгіштер 52
14 дәріс. Тұрақты электр тогы. 56
15 дәріс. Вакуумдегі магнит өрісі 59
16 дәріс. Зат ішіндегі магнит өрісі 62
Кіріспе
Ұсынылып отырған дәрістер жинағында бакалавр (5В071900- Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар, 5В070400 – Есептеу техникасы және бағдарламамен қамтамасыз ету, 5В070300 – Ақпараттық жүйелер) мамандықтары үшін «Физика 1» пәні бойынша дәрістердің қысқа мазмұны берілген.
Әр дәрісте тақырыпқа сәйкес қарастырылатын басты сұрақтары мен олардың қисындылық байланысы және құрылымдық тұтастығы математикалық дәлелдеусіз немесе мысалдар келтірмей-ақ көрсетіледі. Сондықтан оқу-әдістемелік құрал студенттің машықтану, зертханалық сабақтарды орындау барысында, аудиториядан тыс өзіндік жұмыстар сияқты оқу іс-әрекеті үшін жетекші құрал болып табылады.
Әр дәрістің мақсатының нақты берілуі, оқу материалының мазмұндалу формасы оның мазмұнына сай келеді, ол «Физика 1»курсын меңгеруде ЕГЖ-тарды жүйелеуге, жақсы меңгеруге көмек береді.
Дәрістер жинағы негізінен радиотехника, электроника және телекоммуникациялар, есептеу техникасы және ақпараттық жүйелер мамандықтарының студенттеріне арналған. Осы мамандықтар үшін «Физика 1» курсы жалпы мазмұнға ие, алайда бұл жинақтың барлық ТЖОО студенттері үшін де пайдасы зор.
1 дәріс. Материялық нүкте мен қатты дененің кинематикасы
Дәрістің мақсаты:
- физика курсы тараулары мен оны зерттеу әдістері және физика ғылымы пәнінің мағынасын ашу ;
- механиканың құрамы, физикалық ұғымдар мен модельдеулерді келтіру;
- ілгерілемелі және айналмалы қозғалыс кинематикасын сипаттайтын физикалық шамалар мен кинематикалық теңдеулерді көрсету.
1.1 Физика пәні және оны зерттеу әдістері
Техникалық жоғары оқу орнындағы физика жалпы білім беруші пән болып табылады. Физика заттар мен өрістер қозғалысының жалпы қасиеттерін оқытатын ғылым болғандықтан, ол болашақ маманға негізгі базалық білім береді, оның инженерлі-техникалық ойлау қабілеті және әлемнің қазіргі жаратылыс-ғылыми бейнесі жөнінде жалпы түсінігін қалыптастырады.
Физика- тәжірибе арқылы іске асатын ғылым, яғни оның заңдары тәжірибе арқылы алынған фактылармен бекітіледі. Табиғатта орын алатын, физикалық шамалардың арасындағы байланысты көрсететін, орнықты болып қайталана беретін объективті заңдылықтар физикалық заңдар болып табылады.
Физикалық құбылыстар өтетін кеңістіктің аймақтары мен физикалық объектілерінің саны жағынан өзгеруінің маңыздылығы оларды сипаттайтын заңдардың сапалық өзгеру сипатына байланысты. Табиғаттағы жылдамдықтың табиғи масштабы вакуумдегі жарықтың таралу жылдамдығы с = 3∙108 м/с болып табылады. Релятивистік емес (v<<c) қозғалыстардың релятивистік қозғалыстардан ( v~с) сапалық айырмашылығы осы жарық жылдамдығына байланысты. Физика заңдарының кванттық және классикалық шектелуі Планк тұрақтысымен ħ = 1,054∙10-34 Дж·с байланысты.
Физика – эксперименттік ғылым және жан-жақты теориялық түрде зерттелген. Нақты физикалық заңдар негізінде кейбір негізгі физикалық заңдар мен принциптерден маманның кәсіби іс-әрекет саласында практикалық мәнге ие ақпаратты қорытындылаудың тиімді әдістері алынды.
1.2 Механикалық қозғалыс. Кеңістік және уақыт. Санақ жүйесі. Механикадағы модельденулер
Денелердің механикалық қозғалысы және осы қозғалыспен байланысқан денелер арасындағы өзара әсерлесуді зерттеу механика пәні болып табылады. Механикалық қозғалыс дегеніміз денелердің немесе оны құрайтын бөлшектердің кеңістікте уақыт бойынша өзара орындарының өзгерісі.
Кеңістік және уақыт ұғымдары физикалық теорияның негізін құрайды. Кеңістік және уақыт материядан ажырамайды, олар - бір-бірімен байланысқан материяның өмір сүру формалары. Кеңістік - материалдық нысандардың бар екендігін көрсетсе, уақыт - құбылыстардың ауысу ретін анықтайды.
Кеңістік пен уақыттың абстрактілі математикалық модельдері (мысалы, эвклид кеңістігі) қандай да бір дәрежеде жоғары оқу орнындағы физиканың негізгі есептерінің бірі болып табылатын кеңістік пен уақыттың нақты қасиеттерін көрсетіп береді.
Барлық қозғалыс салыстырмалы. Механикалық қозғалысты сипаттау үшін денелер жиынтығы, координата мен сағат жүйелерінен тұратын санақ жүйесі қажет болады.
Нақты есептердің берілген шарттарына қарай, механикада дененің қозғалысын сипаттау үшін сол дененің қарапайымдалған физикалық модельдерін ( үлгілерін ) пайдаланады.
Материялық нүкте - берілген есептің шарты бойынша өлшемдері мен пішінін ескермеуге болатын дене.
Абсолют қатты дене - берілген есептің шартына сай онда орын алатын деформациялануды ескермеуге болатын дене, бұл дененің кез-келген екі нүктесінің ара қашықтығы әрқашан өзгеріссіз болып отырады.
1.3 Материялық нүктенің кинематикасы. Қозғалыстың кинематикалық теңдеулері. Жылдамдық. Үдеу
Егер зерттелетін жүйенің бастапқы мезетте күйі белгілі болған жағдайда, оның (материялық нүкте, материялық нүктелердің жиынтығы, қатты дене) кез келген уақыт мезетінде күйін анықтау – механиканың негізгі есебі болып табылады.
Классикалық механикада бөлшектің күйі берілген уақыт мезетінде оның үш координатасы (x,y,z) және импульстерінің проекциялары (рx, рy, рz) арқылы сипатталады.
Қатты дене әртүрлі күрделі қозғалыстарды жасай алады. Олардың барлығы екі қарапайым: ілгерілемелі және айналмалы қозғалыстардан тұрады. Қатты дененің ілгерілемелі қозғалысы массасы дененің массасына тең және инерция центріне орналасқан бөлшектің қозғалысына эквивалентті. Қатты дене бекітілген осьті айналып қозғалғанда дененің барлық нүктелері центрі осы осьте жататын шеңбер бойымен қозғалады. Бұл жағдайда дененің күйі осьті айналу бұрышы және бұрыштық жылдамдық арқылы беріледі.
1.1 Сурет 1.2 Сурет
Кез-келген М материялық нүктенің орны, О координат басы мен осы М нүктесін қосатын r радиус-вектормен сипатталады, яғни
.
( 1.1 )
Егер материялық нүктенің декарт координаттарының уақытқа байланысы
х=х(t) y=y(t) z=z(t) ( 1.2 )
берілген болса, онда материялық нүктенің қозғалысы толық анықталған. Бұл теңдеулер материялық нүкте қозғалысының кинематикалық теңдеулері деп аталады. Олар нүкте қозғалысының бір ғана r(t) теңдеуінің баламасы болады.
Материялық нүкте (немесе дене) қозғалуы барысында сызатын сызығын траектория дейді. Траекторияның теңдеуін кинематикалық теңдеуден t параметрін аластау арқылы алуға болады. Траекторияның пішініне қарай қозғалыс : түзу сызықты және қисық сызықты болады.
Жүрілген жол берілген t уақыт ішіндегі барлық траектория бөліктерінің ұзындықтарының қосындысына тең болады.
Жылдамдық – берілген уақыт мезетіндегі қозғалыстың тездігін және оның бағытын сипаттайтын векторлық шама. Жылдамдықтың өлшеу бірлігі - м/с. Қарастырылып отырған нүктенің r радиус-векторынан уақыт бойынша алынған бірінші туынды лездік жылдамдық:
.
( 1.3 )
Лездік жылдамдық векторы траекторияға қозғалыс бағытында жүргізілген жанама бойымен бағытталады.
Нүктенің t1 және t2 интервал аралығында жүрген жолы мына интегралмен
.
(1.4 )
есептеледі.
Үдеу – жылдамдықтың модулі және бағыты бойынша өзгеру тездігін көрсететін векторлық шама. Материялық нүктенің лездік үдеуі - қарастырылып отырған нүкте жылдамдығының уақыт бойынша алынған бірінші туындысына (осы нүктенің радиус-векторынан уақыт бойынша алынған екінші туындыға) тең векторлық шама:
.
(1.5 )
Үдеудің өлшеу бірлігі - м/с2. Жазық қисық сызықты қозғалыстың жалпы жағдайы үшін үдеу векторын екі құраушы үдеулердің векторлық қосын-дысы арқылы беру қолайлы:
.
(1.6 )
Мұндағы - тангенциал ( немесе жанамалық ) үдеу, ол жылдамдықтың модулі бойынша өзгеріс тездігін сипаттайды (1.1 суретті қара) , яғни:
.
(1.7 )
Нормаль үдеу траекторияға оның қисықтық центріне қарай жүргізілген нормаль бойымен бағытталып, жылдамдық векторының бағыты өзгерісінің тездігін сипаттайды. Нормаль аn үдеудің шамасы шеңбер бойы- мен болатын қозғалыс жылдамдығы мен радиус шамасымен өрнектеледі
.
(1.8 )
1.4 Абсолют қатты дененің кинематикасы. Дененің айналмалы қозғалысы. Қозғалмайтын осьті айналу. Бұрыштық жылдамдық. Бұрыштық үдеу
Айналмалы қозғалысты сипаттау үшін R және φ полярлық координаттарын қолдану қолайлы, мұндағы R - радиус–полюстан (айналу центрінен) материялық нүктеге дейінгі қашықтық , ал φ – полярлық бұрыш (немесе бұрылу бұрышы).
Элементар
бұрылуларды (Δφ
немесе
деп
белгіленеді) псевдо-векторлар ретінде
қарастыруға болады (1.2 суретті қара)
Бұрыштық
орын ауыстыру
-
модулі бұрылу бұрышына тең, ал бағыты
оң бұранданың ілгерілемелі қозғалысының
бағытымен дәл келетін векторлық шама.
Бұрыштық
жылдамдық
.
(1.9)
Бұрыштық
үдеу
.
(1.10)
Бұрыштық жылдамдық ω векторы dφ векторы сияқты айналу осі бойымен, демек оң бұранда ережесі бойынша бағытталады. Бұрыштық үдеу ε векторы айналу осі бойымен бұрыштық жылдамдық векторының өсім-шесі жағына қарай (үдемелі айналғанда векторының бағыты векторымен бағыттас, ал баяу айналғанда - оған қарама-қарсы) бағытталады.
Бұрыштық жылдамдық пен бұрыштық үдеудің өлшеу бірліктері -рад/с және рад/ с2.
Нүктенің сызықтық жылдамдығының бұрыштық жылдамдық пен траектория радиусымен байланысы:
.
(1.11 )
Бірқалыпты
айналуда:
,
демек
.
2 дәріс. Материялық нүкте мен материялық нүктелер жүйесінің динамикасы
Дәрістің мақсаты:
- механиканың негізгі есебінің мәні;
- механикадағы күштер. Ньютон заңдары;
- қатты дененің ілгерілемелі қозғалысы динамикасының теңдеуі.
2.1 Динамиканың негізгі есебі. Классикалық механикадағы күй туралы ұғым
Денелердің бір-бірімен өзара әсерлесуін және осы әсерлесу нәтижесінде болатын қозғалысын зерттеу механиканың бөлімі болып табылатын динамиканың еншісіне жатады. Механикалық қозғалыс денелердің уақытқа байланысты кеңістіктегі өзара орналасуының өзгерісі. Кеңістік материялық нысандарды көрсетсе, ал уақыт құбылыстардың ауысу ретін анықтайды.
Классикалық механикада бөлшектің күйі оның орнымен (үш координатымен) және осы осьтердегі импульс проекцияларымен сипатталады.
Зерттелетін жүйенің бастапқы күйі берілген жағдайда оның кез келген уақыт мезетіндегі күйін анықтау механиканың негізгі есебі болып табылады
2.2 Ньютонның бірінші заңы. Инерциалдық санақ жүйелері
Материялық нүкте (дене) басқа денелер тарапынан күш әсер етпейінше өзінің тыныштық күйін немесе бір қалыпты түзу сызықты қозғалыс күйін сақтайды.
Дененің тыныштық күйін немесе түзу сызықты бір қалыпты қозғалыс күйін, яғни жалпы айтқанда қозғалыс күйін сақтау қабілеті оның инерттілігі деп аталады. Сондықтан Ньютонның бірінші заңын инерция заңы дейді. Ньютонның бірінші заңы, материялық нүкте басқа денелер әсері болмағанда өзінің қозғалыс күйін сақтайтын инерциалды санақ жүйелерінің болатынына меңзейді. Ньютонның бірінші заңы орындалатын санақ жүйесі инерциалды санақ жүйесі деп аталады.
2.3 Масса және импульс. Күш. Ньютонның екінші заңы. Материялық нүкте динамикасының теңдеуі
Масса – материяның инерттілік және гравитациялық қасиеттерін анықтайтын сипаттамаларынң бірі болып табылатын физикалық шама. Масса- дененің инерттілігін өлшеуіші. Оның өлшеу бірлігі - кг.
Материялық нүктенің (дененің) m массасы мен v жылдамдығының көбейтіндісіне тең, бағыты жылдамдық бағытымен бағытталған векторлық шама материялық нүктенің импульсы деп аталады.
Күш – денеге басқа денелер тарапынан түсірілген механикалық әсердің нәтижесі. Егер күштің кеңістіктегі бағыты, модулі және түсу нүктесі берілген болса, онда күш туралы мағлұмат толық деп аталады. Механикалық әсерлесулер тікелей өзара тиіскен денелер арасында, сондай-ақ, бір-бірінен қандай да болмасын бір аралықтағы денелердің арасында да болады. Бір-бірінен қашықта орналасқан денелер физикалық (мысалы, гравитациялық, электр, магнит) өрістер арқылы әсерлеседі.
Ньютонның екінші заңы - ілгерілемелі қозғалыс динамикасының негізгі заңы. Ол материялық нүктенің (дененің) механикалық қозғалысы оған түсірілген күштердің әсерімен қалай өзгеретінін көрсетеді.
Материялық нүктенің (дененің) алатын үдеуі оны тудыратын күшке тура, ал оның массасына кері пропорционал болады, бағыты түсірілген осы күштің бағытымен бағытталады.
.
(
2.1 )
Ньютонның екінші заңының жалпылама тұжырымдамасы: материялық нүктенің импульсының өзгеру жылдамдығы оған әсер ететін күшке (әсер ететін барлық күштердің тең әсерлісіне) тура пропорционал болады.
.
(2.2
)
Ньютонның екінші заңынан материялық нүктенің импульсының өзгерісі оған әсер етуші күш импульсына тең екендігі шығады:
.
( 2.3 )
Материялық нүкте динамикасының негізгі заңы классикалық механикадағы себептілік принципін уағыздайды, яғни материялық нүктенің уақыт өтуіне байланысты қозғалыс күйі және кеңістіктегі орны өзгерісі мен оған әсер етуші күш арасындағы бір мәнді байланыс барын, яғни материялық нүктенің бастапқы күйін біле отырып оның кез келген келесі мезеттердегі қозғалыс күйін есептеп алуға мүмкін болатындығы шығады.