Файл: Лекции по физике.pdf

Сделать презентацию

Скачать файл (1,74Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 05.12.2025

Просмотров: 1429

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

МИНИСТЕРСТВОСЕЛЬСКОГОХОЗЯЙСТВАРОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА. КАЛУЖСКИЙ ФИЛИАЛ

ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ

Калуга 2013

И.В. ИВАНОВ

Рецензенты:

Кафедра общей физики МФТИ

(к.т.н., доцент В.А. Овчинкин)

Кафедра высшей математики и экономической кибернетики КФ РГАУ – МСХА (к.ф-м.н., доцент К.Н. Каширин)

ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ: Учебное пособие: Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Агроинженерия». – Калуга: КФ РГАУ – МСХА, 2013. – 174 с.

Учебное пособие представляет собой курс лекций по физике, прочитанных автором в течение ряда лет в Калужском филиале Московской сельскохозяйственной академии. Материал структурирован по основным разделам физики с целью формирования у студентов ясного понимания, на каких законах базируются встречающиеся на практике физические явления или технологические процессы.

Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Агроинженерия», а также преподавателей, осуществляющих подготовку по физике.

Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией агрономического факультета по направлению «Агроинженерия», протокол № 2 от 27.02.13.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение....................................................................................................................................................	5
Глава I. МЕХАНИКА
Лекция 1. Кинематика материальной точки....................................................................................	6
1.1. Основные характеристики движения (общий случай) .............................................................	6
1.2. Прямолинейное движение...........................................................................................................	7
1.3. Движение по окружности............................................................................................................	8
1.4. Движение в поле тяжести (свободное падение) ......................................................................	10
Лекция 2. Динамика материальной точки......................................................................................	11
2.1. Законы Ньютона.........................................................................................................................	11
2.2. Закон сохранения импульса ......................................................................................................	14
2.3. Работа и мощность. Кинетическая энергия.............................................................................	15
2.4. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии...............................................................	16
Лекция 3. Вращательное движение твердого тела. Статика.......................................................	18
3.1. Момент силы и момент импульса относительно точки. Уравнение моментов....................	19
3.2. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела............................	20
3.3. Моменты инерции некоторых тел............................................................................................	22
3.4. Закон сохранения момента импульса. Энергия вращающегося тела....................................	23
3.5. Статика........................................................................................................................................	25
Лекция 4. Механические колебания. Акустика.............................................................................	26
4.1. Гармонические колебания и их характеристики.....................................................................	26
4.2. Затухающие колебания..............................................................................................................	28
4.3. Вынужденные колебания...........................................................................................................	29
4.4. Механические волны..................................................................................................................	30
4.5. Физические характеристики звуковых волн............................................................................	32
4.6. Восприятие звука........................................................................................................................	34
Лекция 5. Упругие свойства твердых тел.......................................................................................	37
5.1. Деформации растяжения и сжатия...........................................................................................	37
5.2. Другие виды деформаций..........................................................................................................	39
Лекция 6. Гидродинамика..................................................................................................................	41
6.1. Стационарное движение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли..................................	41
6.2. Вязкость жидкости. Формула Стокса.......................................................................................	43
6.3. Течение вязкой жидкости по горизонтальной трубе. Формула Пуазейля............................	45
Глава II. ТЕРМОДИНАМИКА
Лекция 7. Основные положения молекулярно-кинетической теории ......................................	47
7.1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов............................................	47
7.2. Молекулярно-кинетический смысл температуры...................................................................	48
7.3. Закон распределения молекул по скоростям...........................................................................	49
7.4. Уравнение состояния идеального газа. Экспериментальные газовые законы.....................	52
Лекция 8. Первое начало термодинамики. Теплоемкость...........................................................	54
8.1. Первое начало термодинамики. Теплоемкость.......................................................................	54
8.2. Первое начало термодинамики для различных процессов.....................................................	56
Лекция 9. Второе начало термодинамики. Энтропия...................................................................	58
9.1. Две формулировки второго начала термодинамики. Цикл Карно........................................	59
9.2. Неравенство Клаузиуса. Энтропия...........................................................................................	61
Лекция 10. Явления переноса............................................................................................................	64
10.1. Теплопроводность и конвекция..............................................................................................	64
10.2. Диффузия ..................................................................................................................................	65
Лекция 11. Реальные газы. Фазовые превращения......................................................................	68
11.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса....................................................................................................	68
11.2. Фазовые превращения..............................................................................................................	70
Лекция 12. Поверхностное натяжение жидкостей. Осмос............................................................	74
12.1. Поверхностное натяжение жидкостей....................................................................................	74
12.2. Осмос и осмотическое давление.............................................................................................	76
	3

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Лекция 13. Электростатика................................................................................................................	79
13.1. Напряженность и потенциал электрического поля...............................................................	80
13.2. Диэлектрики в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект.....................................	85
13.3. Проводники в электрическом поле. Емкость.........................................................................	86
Лекция 14. Постоянный электрический ток...................................................................................	88
14.1. Закон Ома. Закон Джоуля – Ленца.........................................................................................	88
14.2. Электродвижущая сила. Правила Кирхгофа..........................................................................	89
14.3. Электрический ток в различных средах.................................................................................	91
Лекция 15. Магнитостатика...............................................................................................................	98
15.1. Движение зарядов в магнитном поле.....................................................................................	98
15.2. Магнитное поле движущихся зарядов .................................................................................	100
15.3. Магнитное поле в веществе...................................................................................................	102
Лекция 16. Электромагнитная индукция. Переменный ток.....................................................	104
16.1. Электромагнитная индукция.................................................................................................	104
16.2. Переменный ток .....................................................................................................................	107
Лекция 17. Электромагнитные волны...........................................................................................	111
17.1. Уравнение волны. Интенсивность электромагнитной волны............................................	111
17.2. Шкала электромагнитных волн.............................................................................................	112
17.3. Принципы радиосвязи............................................................................................................	113
Глава IV. ОПТИКА
Лекция 18. Геометрическая оптика. Фотометрия.......................................................................	116
18.1. Законы геометрической оптики............................................................................................	116
18.2. Тонкие линзы..........................................................................................................................	117
18.3. Основные фотометрические характеристики......................................................................	120
Лекция 19. Волновая оптика............................................................................................................	123
19.1. Физические явления, связанные с волновыми свойствами света......................................	123
19.2. Тепловое излучение ...............................................................................................................	128
Глава V. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Лекция 20. Квантовая оптика. Фотобиология. Лазеры..............................................................	133
20.1. Кванты света. Фотоэффект....................................................................................................	133
20.2. Элементы фотобиологии.......................................................................................................	135
20.3. Лазеры и их применение........................................................................................................	136
Лекция 21. Рентгеновское излучение.............................................................................................	139
21.1. Источники рентгеновского излучения.................................................................................	139
21.2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом..................................................	140
21.3. Рентгеноструктурный анализ................................................................................................	142
Лекция 22. Квантовая модель атома...............................................................................................	144
22.1. Квантовая модель атома водорода........................................................................................	144
22.2. Современная теория строения атома....................................................................................	146
22.3. Электронный парамагнитный резонанс...............................................................................	147
Лекция 23. Модель ядра. Ядерные реакции. Радиоактивность................................................	149
23.1. Энергия связи. Ядерные реакции..........................................................................................	149
23.2. Радиоактивный распад...........................................................................................................	150
23.3. Ядерный магнитный резонанс ..............................................................................................	153
Лекция 24. Элементарные частицы ...............................................................................................	154
24.1. Некоторые характеристики элементарных частиц..............................................................	154
24.2. Фундаментальные физические взаимодействия..................................................................	155
Рекомендуемая литература..................................................................................................................	157
Приложения..........................................................................................................................................	158
Предметный указатель.........................................................................................................................	170

Введение

Любая наука определяется объектом и целью исследования.

Объектом физики является естественный окружающий нас мир, основанный на фундаментальных законах, а целью – познание этих законов и практическое их использование в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и других сферах деятельности человека.

Все естественные и прикладные науки тесно связаны с физикой и носят соответствующие названия: астрофизика, физическая химия, биофизика, геофизика, агрофизика и др. Поэтому можно утверждать, что физика является фундаментом этих наук. И, конечно же, все технические науки «от начала до конца» базируются на физических принципах.

Современные агрономические, животноводческие и птицеводческие комплексы оснащены множеством механизмов и аппаратов, принцип работы которых опирается на конкретные физические законы. Механизация, электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, внедрение во все его отрасли новой аппаратуры требует от современного инженера твердого знания основ физики и умения творческого применения этих знаний в своей практической деятельности. Кроме того, умение построить ясную физическую модель того или иного физического процесса в природе и технике избавит будущего специалиста от бесполезных или явно ошибочных решений.

Курс физики, изложенный в предлагаемом учебном пособии, рассчитан на три семестра и излагается в 24 лекциях. Лекции структурированы по основным разделам общей физики (механика, термодинамика, электричество и магнетизм, оптика и квантовая физика) с целью формирования у студентов ясного понимания, на каких законах базируются встречающиеся на практике физические явления или технологические процессы. В приложениях к разделам представлен дополнительный материал.

Глава I. МЕХАНИКА

Механика – наука о движении тел. Основные законы классической механики были сформулированы Г. Галилеем и И. Ньютоном в XVII-XVIII в.в. Классическая механика рассматривает расстояния много больше размеров атома: s >> 10–10 м = 1 Å (ангстрем) и скорости много меньше скорости света:

υ << c = 3·108 м/с.

Лекция 1. Кинематика материальной точки

Кинематика описывает движение тел, не рассматривая причин этого движения, то есть не рассматривает силы, действующие на тела. В кинематике любое (даже большое) тело мы будем считать материальной точкой, то есть пренебрегать его формой и размерами.

Кроме того, кинематика описывает изменение во времени различных параметров, характеризующих систему (масса, концентрация и др.) или скорости процессов (диффузия, теплообмен, химическая реакция и др.), протекающих в ней.

1.1. Основные характеристики движения (общий случай)

Для описания движения необходима система отсчета, которая состоит из системы координат для указания положения тела в пространстве и часов для указания времени.

				Примером системы координат является пря-
Z	A	B		моугольная система координат с началом в точке
r	r	B		О и осями X, Y, Z. Положение точки в пространстве
r	r			задается радиус-вектором r (x, y, z) .
r0			r	задается радиус-вектором r (x, y, z) .
	rv		υ	Линия, по которой движется материальная
				точка, – это траектория.
O			Y	Пусть точка движется из А в В (рис. 1.1).
Х				Тогда путь, пройденный точкой – это длина тра-
Х	Рис. 1.1			ектории s, а перемещение точки – это длина от-
	Рис. 1.1			ектории s, а перемещение точки – это длина от-
				резка АВ или длина вектора			r = r − r0 .
Отношение пути s, пройденного материальной точкой, к промежутку
времени t, за который он пройден, называется средней скоростью точки:
				υср =	s	.	(1.1)
				υср =		.	(1.1)
					t

Однако часто нужно знать скорость в любой момент времени или мгновенную скорость.

Мгновенная скорость точки – это производная ее радиус вектора по вре-

мени:

r	dr
υ =		.	(1.2)
	dt

Скорость – это вектор, направленный по касательной к траектории движущейся точки. Величина этого вектора равна производной пути по времени:


υ =		ds		.		(1.2)′

		dt
Скорость может меняться как по величине, так и по направлению. Такое
движение называется неравномерным или ускоренным.
Мгновенное ускорение – это вектор, равный производной вектора скоро-
сти по времени:			dυ
r
a	=				.	(1.3)
			dt

Вектор ускорения всегда направлен в сторону вогнутости траектории.

В общем, можно сказать, что скорость характеризует, как меняется со временем радиус-вектор или путь, а ускорение характеризует, как меняется скорость. Из формул (1.2) и (1.3) можно получить зависимости скорости и пути от времени для любого вида движения материальной точки.

Единицы измерения очевидны: скорость – м/с, ускорение – м/с2. 1.2. Прямолинейное движение

Прямолинейное движение – это частный случай				υ0
криволинейного, когда траекторией материальной точ-
криволинейного, когда траекторией материальной точ-
ки является прямая.	и ее положение A
Точка движется вдоль прямой,				s
Точка движется вдоль прямой,				s
определяется одной координатой х, которая меняется				Рис. 1.2
со временем (рис. 1.2).
Мгновенные значения скорости υ и ускорения a прямолинейного
ния определяются формулами (1.2)′ и (1.3):
υ = ds ,	a =	dυ	.
υ = ds ,	a =		.
dt		dt

Из этих формул следует, что ds = υdt, dυ = adt и s = ∫υ(t)dt , υ = ∫a(t)dt ,

B X

движе-

где υ(t) и a(t) – зависимости скорости и ускорения от времени.

Рассмотрим случай, когда ускорение не зависит от времени: a = const. Такое движение называют равнопеременным. Тогда зависимости скорости и

пройденного пути от времени после интегрирования будут иметь вид
υ = υ0 + at,			(1.4)
s = υ0t +	at 2	.	(1.5)
	2