Бородина Е.Г. Физика: справочное пособие с примерами решения задач

Бородина Е.Г. Физика: справочное пособие с примерами решения задач / Е.Г. Бородина; Балт. гос. техн. ун-т. — СПб., 2013. — 157 с.
Изложены основные вопросы курса физики, предусмотренные учебной программой для технических факультетов вузов и облегчающие самостоятельное изучение и более глубокое освоение предмета. Рассмотрены различные физические системы с точки зрения законов сохранения, которые выявляют новые закономерности и соотношения между фундаментальными формами движения. Представлены подробные схемы связи физических явлений, процессов и понятий, из которых следуют логика и последовательность изучения каждой темы, приложения для размышлений и трудные вопросы физики. Приведены примеры решения задач. В приложении рассмотрены некоторые задачи ЕГЭ.
Предназначено для студентов технических специальностей. Может быть использовано абитуриентами технических вузов при подготовке к ЕГЭ.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. КИНЕМАТИКА……………………3
1.1. Основные определения, принципы и классификация механических движений………………..3
1.2. Трудные вопросы кинематики………………4
1.3. Равномерное прямолинейное движение…………4
Перемещение……………4
Скорость……………….4
Уравнение движения………………….4
Координата…………….4
Система отсчёта (СО)……………..4
Относительность движения……………..5
1.4. Преобразования Г.Галилея……………5
Классический закон сложения скоростей. Преобразования Галилея…………………5
Инерциальные системы отсчёта (ИСО)……………..5
Принцип относительности Галилея……………….5
1.5. Равнопеременное прямолинейное движение…………….5
Ускорение……………….5
Равноускоренное и равнозамедленное движение………………..6
Мгновенная скорость………………….6
Перемещение тела при равнопеременном движении………………..6
Следствия из формул………………..7
Координата тела при равнопеременном движении………………….7
Графики зависимости координаты и пути от времени………………….7
Свободное падение. Формулы свободного падения……………….8
Движение тела, брошенного вертикально вверх. Формулы движения…………………9
1.6. Некоторые виды сложного движения……………..9
Движение тела под углом к горизонту………………..9
Движение тела, брошенного горизонтально с высоты Н…………..11
Движение тела по окружности………………..11
Равномерное движение по окружности…………….12
Равнопеременное движение по окружности……………..13
Общий случай криволинейного движения……………….13
2. ДИНАМИКА………………14
2.1. Основные определения и понятия……………14
2.2. Трудные вопросы динамики……………..14
2.3. Законы движения Ньютона (законы динамики в ИСО)………………15
Сила. Примеры действия сил в природе……………..15
Масса……………….15
Первый закон Ньютона: закон инерции……………..15
Второй закон Ньютона: основной закон динамики…………………16
Общая форма записи второго закона Ньютона (2-й закон динамики в импульсной форме)…………16
Третий закон Ньютона: закон действия и противодействия……………..16
Закон всемирного тяготения…………………17
Уравнения движения на примерах действия некоторых сил……………….17
2.4. Сила трения………………………..18
Сила трения покоя. Закон Кулона-Амонтона……………18
Сила трения скольжения. Сила трения качения. Жидкое (вязкое) трение…………………19
2.5. Сила упругости…………………..20
Деформация. Виды деформации……………..20
Природа силы упругости………………..20
Закон Гука………………………21
Модуль Юнга. Другая форма записи закона Гука…………….22
2.6. Сила тяжести. Вес тела в разных случаях движения……………….22
Сила тяжести. Ускорение свободного падения……………22
Вес тела. Невесомость и перегрузки: 1) опора в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения………….23
2) опора движется с ускорением…………..23
3) вес тела в случае движения по дуге окружности в вертикальной плоскости…………..24
2.7. Центростремительное ускорение в разных случаях движения…………….24
Конический маятник………………….25
Шарик во вращающемся конусе…………..25
Тело на вращающемся диске……………..25
3. ЭЛЕКТРОСТАТИКА……………………26
3.1. Основные определения, понятия и принципы…………….26
3.2. Трудные вопросы электростатики и электродинамики…………..27
3.3. Электризация тел……………28
Электризация. Два рода электрических зарядов………….28
Фундаментальные свойства заряда……………28
Закон сохранения электрического заряда…………..29
Закон Кулона. Точечный заряд…………..29
3.4. Электрическое поле. Напряжённость электрического поля……………29
Концепция близкодействия…………29
Напряжённость электрического поля. Однородное и неоднородное поле…………….30
Напряжённость поля точечного заряда………….30
Принцип суперпозиции электрических полей……………30
Графическое изображение полей…………..30
Основные свойства силовых линий……………..30
3.5. Теорема Гаусса…………………31
Картина силовых линий и модуль напряжённости поля……………..31
3.6. Работа сил электрического поля…………….31
Работа сил однородного поля…………..31
Работа сил неоднородного поля……………31
Потенциальность электростатического поля…………..32
3.7. Потенциальная энергия заряда, внесённого в электрическое поле. Потенциал…………..32
Потенциальная энергия в поле точечного заряда…………..32
Потенциал электростатического поля……………32
Принцип суперпозиции для потенциала……………..33
Разность потенциалов (напряжение)……………..33
Связь между напряжённостью и разностью потенциалов………………33
Поверхности равного потенциала (эквипотенциальные поверхности)………………..33
Свойства эквипотенциальной поверхности……………34
3.8. Проводники в электростатическом поле……………34
Основные свойства проводников…………….34
Силовые линии у поверхности заряженного проводника……………….34
Напряжённость и потенциал поля заряженного проводящего шара ……………….35
Напряжённость поля бесконечной заряженной плоскости……………35
Напряжённость поля бесконечного заряженного цилиндра……………….36
Напряжённость поля равномерно заряженного по объёму шара……………..36
3.9. Диэлектрики в электростатическом поле……………….36
Полярные диэлектрики………………36
Неполярные диэлектрики……………..36
Основные свойства диэлектриков: 1) дипольный момент электрического диполя; 2) поляризация диэлектриков;
3) диэлектрическая проницаемость среды…………..37
3.10. Конденсаторы……………………37
Электроёмкость уединённого проводника……………..38
Электроёмкость плоского конденсатора……………….38
Электроёмкость заряженного проводящего шара……………38
Электроёмкость сферического конденсатора………………38
Электроёмкость цилиндрического конденсатора…………….38
Энергия заряженного конденсатора……………….39
Энергия электрического поля……………..39
Объёмная плотность энергии электрического поля…………..39
Соединения конденсаторов: последовательное и параллельное………..39
4. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ……………..40
4.1. Основные определения и понятия классических законов сохранения……………….40
4.2. Трудные вопросы классических законов сохранения……………..41
4.3. Закон сохранения импульса…………41
Импульс тела в классической и релятивистской динамике……………41
Радиус-вектор, скорость и импульс центра масс системы в однородном поле тяжести…..42
Движение центра масс в замкнутой системе………….42
Явление отдачи. Реактивное движение……………42
Уравнение И.В. Мещерского………………42
Формула К.Э. Циолковского……………..43
4.4. Энергия……………..43
Полная энергия и энергия покоя тела в СТО……………43
Кинетическая энергия в классической и релятивистской динамике…………….43
Связь между энергией и импульсом в классической и релятивистской динамике…………..44
4.5. Работа……………….44
Работа постоянной силы………….44
Работа переменной силы ………44
Геометрический смысл работы…………44
Теорема о кинетической энергии в механике Ньютона и релятивистской динамике……….45
4.6. Потенциальное поле……………46
Потенциальные силы. Консервативные, неконсервативные и диссипативные силы……….46
Потенциальная энергия тела…………46
Работа сил в потенциальном поле ……….47
Условия потенциальности поля…………47
4.7. Полная механическая энергия………….47
Полная механическая энергия замкнутой и незамкнутой, консервативной и неконсервативной систем……………47
Закон сохранения полной механической энергии…………….48
4.8. Работа силы и потенциальная энергия………….48
Работа силы тяжести……………..48
Потенциальная энергия тела, поднятого над Землёй……………49
Работа силы тяготения……………….49
Потенциальная энергия тела в гравитационном поле Земли……………..49
Потенциальный барьер и потенциальная яма……………50
Работа силы упругости ………..50
Потенциальная энергия упруго деформированного тела…………….51
Работа силы Кулона………………….51
Потенциальная энергия заряда в электростатическом (кулоновском) поле…………………52
Работа силы трения…………………52
4.9. Механическая мощность. Средняя мощность…………..53
5. ФИЗИКА МОМЕНТОВ…………………..54
5.1. Момент силы…………………..54
Момент силы относительно точки………….54
Момент силы относительно оси ……..55
Пара сил. Момент пары сил. Плечо пары сил……………55
Момент импульса относительно точки……………55
Момент импульса относительно оси……………56
Момент импульса системы тел относительно точки и оси……………..56
5.2. Уравнение моментов……………….56
Уравнение моментов для системы материальных точек………………56
Закон сохранения момента импульса замкнутой системы……………57
5.3. Кинетическая энергия твёрдого тела…………………58
Кинетическая энергия твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси……………..58
Момент инерции тела относительно неподвижной оси………………58
Кинетическая энергия твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной точки………….58
Тензор инерции……………………..59
Главные оси тензора инерции……………..60
Главные моменты инерции…………………60
Кинетическая энергия тела при плоском движении……………..60
5.4. Теорема Гюйгенса-Штейнера……………61
6. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ. ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ………..62
6.1. Три класса законов сохранения в физике……………62
6.2. Трудные вопросы общих законов сохранения…………..62
6.3. Термодинамика и термодинамические системы………………63
Микро- и макропараметры состояния…………….63
Модель идеального газа в MKT………….64
Законы идеального газа. Изопроцессы…………….64
Основное уравнение MKT………………65
Молекулярно-кинетический и термодинамический смысл абсолютной температуры………65
6.4. Внутренняя энергия…………….66
Два способа изменения внутренней энергии…………67
Количество теплоты……………..67
6.5. Закон сохранения энергии (1-й закон термодинамики)…………….67
6.6. Работа в термодинамике……………..68
6.7. Применение закона сохранения энергии к процессам в идеальном газе…………….68
Изохорный процесс……………..68
Изобарный процесс……………………68
Изотермический процесс………….68
Адиабатический процесс…………….69
6.8. Уравнение адиабаты (уравнение Пуассона)…………..70
Теплоёмкость идеального газа……………70
Молярная теплоёмкость при постоянном объёме и давлении…………..70
Уравнение Майера…………………….70
Показатель адиабаты (коэффициент Пуассона). Уравнение Пуассона…………..70
6.9. Круговые (циклические) процессы…………71
Условия превращения внутренней энергии в работу…………..71
Принцип действия теплового двигателя………………71
Второй закон термодинамики (формулировка У. Томсона)……………..72
Второй закон термодинамики (формулировка Р. Клаузиуса)………….72
Необратимость тепловых процессов………………72
КПД тепловой машины. Термодинамический КПД………………72
Цикл Карно …………..72
Второй закон термодинамики (формулировка С. Карно)……………..73
Вывод КПД для обратимого цикла Карно…………….73
6.10. Энтропия…………….73
Приведённая теплота (по Р. Клаузиусу)…………..73
Закон возрастания энтропии (физическая и математическая формулировка) ……………74
Второй закон термодинамики (формулировка М. Планка)…………….75
Термодинамическая вероятность ………………76
Формула Л. Больцмана………………….76
Свободная энергия (функция Гельмгольца)………………..77
Связь энтропии и свободной энергии …………….77
Физический смысл энтропии ………….77
7. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА…………..78
7.1. Закон сохранения электрического заряда……………..78
Инвариантность заряда. Устойчивость электрона………………..78
Сила тока и плотность тока……………..78
7.2. Картина электромагнитного поля…………79
Поток вектора напряжённости электрического поля……………..79
Поток вектора магнитной индукции………………..79
Изменение магнитного потока, пронизывающего контур. Возникновение индукционного тока…………………80
Закон М. Фарадея……………………80
Правило Ленца …………….81
Циркуляция вектора напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции………….81
Вихревое электрическое поле…………….81
Ток проводимости и ток смещения…………..82
Ток смещения в диэлектриках…………….83
7.3. Уравнения Максвелла…………………84
Уравнения Максвелла для стационарных полей………….84
Материальные уравнения. Уравнения Максвелла для переменных полей……………..84
Уравнения Максвелла в интегральной форме……………….85
Уравнения Максвелла в векторной форме……………..85
Рождение и самостоятельное существование электромагнитного поля……………….85
Следствия для электростатического поля. Законы сохранения в электростатике…………….86
7.4. Энергия электромагнитного поля………………86
Плотность энергии. Вектор Умова…………………86
Энергия электрического поля……………..87
Энергия магнитного поля………………87
Вектор Пойнтинга……………………87
Теорема Пойнтинга………………..87
«Радиационное трение»…………….87
Связь массы, заряда и энергии частицы………….88
7.5. Импульс электромагнитного поля……….88
Плотность импульса…………………88
Закон сохранения импульса в системе электромагнитное поле-вещество…………….88
Давление света…………………….89
8. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МИКРОМИРЕ……………….90
8.1. Энергия и импульс в микромире………………..90
Энергия и импульс кванта (фотона)……………..90
Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов……………90
Классические законы сохранения и эффект Комптона…………….91
Классическая теория эффекта Комптона……………..91
Релятивистское выражение связи между энергией и импульсом. Открытие позитрона………92
Открытие нейтрино на основе (3-распада ядер атомов………………93
«Левовинтовая » модель нейтрино………………93
8.2. Законы сохранения в ядерных реакциях и распадах………………93
Законы сохранения массового и зарядового числа……………93
Закон сохранения импульса для ядра отдачи………….94
Основы классификации элементарных частиц…………….94
Законы сохранения барионного и лептонного зарядов………….95
Структура андронов. Кварки…………..96
Фундаментальные частицы………….96
Закон сохранения странности в сильных и электромагнитных взаимодействиях……………96
Закон сохранения изотопического спина в сильных взаимодействиях………………….97
Формула Гелл-Манна-Нишиджимы………………98
Закон сохранения четности. Симметрия в микромире. Типы зеркальных отражений: пространственная (Р)
четность, зарядовая (С) четность, комбинированная (CP) четность, инвариантность относительно обращения времени (Т)……………..98
Несохранение четности в (3-распадах………..100
Комбинированная инверсия в слабых взаимодействиях. Нарушение CP-симметрии…….100
Комбинированная СРТ-симметрия (теорема Людерса-Паули)…………….101
9. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ…………..102
Механика (кинематика, динамика, законы сохранения, статика) …………….102
Молекулярная физика и термодинамика……………….108
Электростатика. Конденсаторы……………115
Электромагнетизм………………….121
Кванты. Квантовая механика………………….125
Атомная и ядерная физика……………..129
ПРИЛОЖЕНИЕ. Задачи ЕГЭ……………….132
Библиографический список…………….152