6
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью изучения дисциплины «Физика» является приобретение студентами фундаментальных физических знаний, являющихся базой для изучения технических дисциплин и междисциплинарной экспериментальноисследовательской деятельности, формирование научного мировоззрения и навыков использования основных законов физики для решения задач, связанных с профессиональной деятельностью по проектированию изделий и технологических процессов в машиностроении.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
изучить законы окружающего мира в их взаимосвязи;
овладеть фундаментальными принципами и методами решения на- учно-технических задач;
сформировать навыки по применению положений фундаментальной физики к грамотному научному анализу ситуаций, с которыми бакалавру придется сталкиваться при создании или использовании новой техники и новых технологий;
освоить основные физические теории, позволяющие описывать явления природы, и знания о пределах применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач;
сформировать у студентов основы естественнонаучной картины
мира;
ознакомить студентов с историей и логикой развития физики и основных еѐ открытий.
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать:
основные физические явления и основные законы физики; границы их применимости, применение законов в важнейших практических приложениях;
основные физические величины и физические константы, их определение, смысл, способы и единицы их измерения;
фундаментальные физические опыты и их роль в развитии науки;
назначение и принципы действия важнейших физических приборов;
уметь:
объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий;
указать, какие законы описывают данное явление или эффект;
истолковывать смысл физических величин и понятий;
7
записывать соотношения для физических величин в системе СИ;
работать с приборами и оборудованием современной физической лаборатории;
использовать различные методики физических измерений и обработки экспериментальных данных;
использовать методы адекватного физического и математического моделирования, а также применять методы физико-математического анализа
крешению конкретных естественнонаучных и технических проблем;
владеть:
навыками использования основных общефизических законов и принципов в важнейших практических приложениях;
навыками применения основных методов физико-математического анализа для решения естественнонаучных задач;
навыками правильной эксплуатации основных приборов и оборудования современной физической лаборатории;
навыками обработки и интерпретирования результатов эксперимен-
та;
навыками использования методов физического моделирования в инженерной практике.
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. Введение. Механика.
Введение. Физика в системе естественных наук. Общая структура и задачи дисциплины «Физика». Экспериментальная и теоретическая физика. Физические величины, их измерение и оценка погрешностей. Системы единиц физических величин. Краткая история физических идей, концепций и открытий. Физика и научно-технический прогресс.
1.1.Кинематика. Основные кинематические характеристики криволинейного движения: скорость и ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорение. Кинематика вращательного движения: угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейной скоростью и ускорением. Пространство и время в механике Ньютона. Физический смысл производной и интеграла.
1.2.Динамика. Инерциальные системы отсчета и первый закон Ньютона. Второй закон Ньютона. Масса, импульс, сила. Уравнение движения материальной точки. Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса. Связь закона сохранения импульса с однородностью пространства. Силы трения. Интегрирование уравнений движения, роль начальных условий. Центр масс
8
механической системы, закон движения центра масс. Движение тел с переменной массой. Уравнение Мещерского. Формула Циолковского.
1.3.Энергия. Сила, работа и потенциальная энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Работа и кинетическая энергия. Закон сохранения полной механической энергии в поле потенциальных сил. Связь закона сохранения энергии с однородностью времени. Связь между силой и потенциальной энергией. Градиент скалярной функции. Столкновения тел. Абсолютно упругое столкновение.
1.4.Момент импульса. Момент импульса материальной точки и механической системы. Момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса механической системы. Связь закона сохранения момента импульса с изотропностью пространства.
1.5.Динамика вращательного движения. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела с закрепленной осью вращения. Момент импульса тела. Момент инерции. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела.
1.6.Элементы механики сплошных сред. Общие свойства жидкостей и газов. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли. Идеально упругое тело. Упругие напряжения и деформации. Закон Гука. Модуль Юнга. Энергия упругих деформаций твердого тела.
1.7.Закон всемирного тяготения. Движение в поле центральных сил. Законы Кеплера. Космические скорости. Неинерциальные системы отсчета.
Релятивистская механика. Принцип относительности и преобразования Галилея. Неинвариантность электромагнитных явлений относительно преобразований Галилея. Постулаты специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Относительность одновременности и преобразования Лоренца. Парадоксы релятивистской кинематики: сокращение длины и замедление времени в движущихся системах отсчета. Релятивистский импульс. Взаимосвязь массы и энергии в СТО. СТО и ядерная энергетика. Преобразование скоростей в релятивистской кинематике. Сохранение релятивистского импульса. Релятивистская энергия. Четырехмерное пространство-время в СТО и его псевдоевклидова метрика. Понятие релятивистского интервала. Границы применимости классической механики.
Раздел 2. Термодинамика и статистическая физика.
2.1.Статистический и термодинамический методы исследования. Феноменологическая термодинамика. Термодинамическое равновесие и температура. Нулевое начало термодинамики. Эмпирическая температурная шкала. Квазистатические процессы. Уравнение состояния идеального газа. Изохорический, изобарический, изотермический процессы в идеальных газах.
9
2.2.Молекулярно-кинетическая теория. Давление газа с точки зрения МКТ. Распределение Максвелла для модуля и проекций скорости молекул идеального газа. Экспериментальное обоснование распределения Максвелла. Распределение Больцмана и барометрическая формула. Наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости.
2.3.Элементы физической кинетики. Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Броуновское движение. Число столкновений и длина свободного пробега молекул идеального газа. Эмпирические уравнения переноса: Фика, Фурье и Ньютона. Релаксация к состоянию равновесия.
2.4.Внутренняя энергия идеального газа. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Связь теплоемкости идеального газа с числом степеней свободы молекул. Уравнение Майера. Адиабатический процесс. Политропический процесс и его частные случаи. Преобразование теплоты в механическую работу.
2.5.Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики. Цикл Карно и его коэффициент полезного действия. Энтропия. Третье начало термодинамики.
2.6.Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критическая изотерма. Фазовые превращения.
Раздел 3. Электричество и магнетизм.
3.1.Электростатика. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электростатического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме и ее применение для расчета электрических полей. Циркуляция вектора напряженности.
3.2.Проводники в электрическом поле. Равновесие зарядов в проводнике. Основная задача электростатики проводников. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля между проводниками. Электростатическая защита. Емкость проводников и конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Объемная плотность энергии электростатического поля.
3.3.Диэлектрики в электрическом поле. Электрическое поле диполя. Диполь во внешнем электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Ориентационный и деформационный механизмы поляризации. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в однородном диэлектрике. Дипольный момент системы зарядов. Вектор поляризации (поляризованности) диэлектрика
иего связь с объемной и поверхностной плотностью связанных зарядов. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая
10
восприимчивость и диэлектрическая проницаемость. Объемная плотность энергии электрического поля в диэлектрике.
3.4.Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности для плотности тока. Закон Ома в интегральной и дифференциальной формах. Закон Джоуля-Ленца. Закон Видемана-Франца. Электродвижущая сила источника тока. Правила Кирхгофа. Классическая теория электропроводности металлов (теория Друде-Лоренца), условия ее применимости и противоречия с экспериментальными результатами.
3.5.Магнитостатика. Магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле и магнитный дипольный момент кругового тока. Закон Ампера. Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Эффект Холла и его применение. Теорема о циркуляции (закон полного тока). Поток вектора индукции магнитного поля. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
3.6.Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты электронов и атомов. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Вектор намагниченности и его связь с плотностью молекулярных токов. Напряженность магнитного поля. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Объемная плотность энергии магнитного поля в веществе.
3.7.Электромагнитная индукция. Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Уравнение электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность соленоида. Включение и отключение катушки от источника постоянной эдс. Энергия магнитного поля.
3.8.Уравнения Максвелла. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме и физический смысл входящих в нее уравнений.
Раздел 4. Колебания и волны.
4.1.Гармонические колебания. Амплитуда, частота и фаза колебания. Комплексная форма представления гармонических колебаний. Идеальный гармонический осциллятор. Уравнение идеального осциллятора и его решение. Примеры колебательных движений различной физической природы. Сложение колебаний (биения, фигуры Лиссажу). Векторное описание сложения колебаний. Разложение и синтез колебаний, понятие о спектре колебаний. Связанные колебания. Свободные затухающие колебания осциллятора с потерями. Вынужденные колебания. Время установления вынужденных колебаний и его связь с добротностью осциллятора. Автоколебания.