Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ). Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания
 Скачать 4.41 Mb.
|
для студентов 1 курса всех форм обученияСпециальность 19.02.10 Технология продукции общественного питания Анадырь 2016 Рекомендовано методическим советом ГАПОУ ЧАО «ЧМК» в качестве учебного пособия для студентов 1 курса всех форм обучения, протокол № от 2016 г. Автор-разработчик: Еремин С. А. Организация-разработчик: ГАПОУ ЧАО «ЧМК» Курс лекций по физике предназначен для студентов, обучающихся по специальностям технического профиля. Курс состоит из семи разделов, в которых в доступной форме излагаются основы физики, нацелен на систематизацию и конкретизацию знаний, приобретенных в процессе изучения учебной дисциплины «Физика», и содержит материал, достаточный для успешного прохождения студентами текущей и промежуточной аттестации. Курс лекций подготовлен согласно тематике рабочей программы учебной дисциплины и включает широкий спектр вопросов для самоконтроля. ã ГАПОУ ЧАО ЧМК, 2016 СОДЕРЖАНИЕ Лекция 1. Введение. Раздел 1. Механика. Тема 1.1. Кинематика. Лекция 2. Скорость. Лекция 3. Ускорение. Тема 1.2. Законы механики Ньютона. Лекция 4. Законы механики Ньютона. Лекция 5. Силы в механике. Тема 1.3. Законы сохранения в механике. Лекция 6. Закон сохранения импульса. Лекция 7. Закон сохранения энергии. Раздел 2. Молекулярная физика. Термодинамика. Тема 2.1. Основы молекулярно-кинетической теории. Лекция 8. Основы молекулярно-кинетической теории. Тема 2.2. Основы термодинамики. Лекция 9. Основы термодинамики. Тема 2.3. Агрегатные состояния вещества. Лекция 10. Свойства паров. Лекция 11. Свойства жидкостей. Лекция 12. Свойства твердых тел. Раздел 3. Электродинамика. Тема 3.1. Электростатика. Лекция 13. Электрическое поле. Лекция 14. Характеристики электрического поля. Лекция 15. Электрическое поле в веществе. Тема 3.2. Законы постоянного тока. Лекция 16. Законы постоянного тока. Тема 3.3. Магнитное поле. Лекция 17. Магнитное поле. Тема 3.4. Электромагнитная индукция. Лекция 18. Электромагнитная индукция. Раздел 4. Колебания и волны. Тема 4.1. Механические колебания и волны. Лекция 19. Механические колебания и волны. Тема 4.2. Электромагнитные колебания и волны. Лекция 20. Электромагнитные колебания и волны. Раздел 5. Оптика. Тема 5.1. Геометрическая оптика. Лекция 21. Геометрическая оптика. Тема 5.2. Волновая оптика. Лекция 22. Волновая оптика. Раздел 6. Основы квантовой физики. Тема 6.1. Квантовая оптика. Лекция 23. Квантовая оптика. Тема 6.2. Физика атома. Лекция 24. Физика атома. Тема 6.3. Физика атомного ядра. Лекция 25. Физика атомного ядра. Раздел 7. Эволюция Вселенной. Тема 7.1. Строение и развитие Вселенной. Лекция 26. Строение и развитие Вселенной. Тема 7.2. Эволюция звезд. Гипотеза происхождения Солнечной системы. Лекция 27. Эволюция звезд. Гипотеза происхождения Солнечной системы. Список использованных источников Лекция № 1. Введение Цель: определить предмет изучения физики; ввести понятия «физический закон», «измерение», «система единиц измерения» Основные понятия: Физика – наука, занимающаяся изучением самых общих закономерностей явлений природы, свойств и структуры окружающего нас мира. Физическая величина – физическое свойство материального объекта, явления или процесса, которое может быть охарактеризовано количественно. Физический закон – соотношение между физическими величинами, устойчиво проявляющееся при определённых условиях в эксперименте. Измерение физической величины – сравнение ее с однородной величиной, принятой за единицу. Система единиц измерения – совокупность единиц измерения, охватывающая все или только некоторые области измерений (механические, электрические и т. д.) 1.1. Физика: ее содержание, связь с другими науками и с техникой. Физика, наряду с другими естественными науками, изучает объективные свойства окружающего нас материального мира. По-гречески слово «физика» означает природу. Физика изучает наиболее общие формы движения материи (механические, тепловые, электромагнитные и т. д.) и их взаимные превращения. Изучаемые физикой формы движения присутствуют во всех высших и более сложных формах движения (в химических, биологических процессах и др.) и неотделимы от них, хотя и никоим образом не исчерпывают их. Так, открытому физикой закону всемирного тяготения подчиняются все известные тела земные и небесные, независимо от того, являются ли они химически простыми или сложными, живыми или мертвыми. Установленному физикой закону сохранения энергии подчиняются все процессы, независимо от того, носят ли они специфически химический, биологический и т. д. характер. Высшие, более сложные формы движения являются предметом изучения других наук (химии, биологии и др.). Границы между физикой и некоторыми другими естественными науками не могут быть установлены резко. Существуют обширные пограничные области между физикой и химией, возникли даже особые науки: физическая химия и химическая физика. Области знания, где физические методы применяются для изучения более или менее частных вопросов, также соединяются в особые науки: так возникают, например, астрофизика, изучающая физические явления, протекающие в небесных объектах, и геофизика, изучающая физические явления, протекающие в атмосфере Земли и в земной коре. Физические открытия часто давали толчок к развитию других наук. Изобретение микроскопа и телескопа ускорило развитие биологии и астрономии. Открытый физиками спектральный анализ стал одним из основных методов астрофизики и т. д. Толчком к развитию физики, как и всех других наук, послужили практические требования людей. Механика древних египтян и греков возникла непосредственно в связи с теми запросами, которые были поставлены тогдашней строительной и военной техникой. Также под влиянием развивающейся техники и военного дела были сделаны крупные научные открытия конца XVII и начала XIX столетий. И в настоящее время исключительно важные проблемы, которые способны в корне изменить технику, как, например, непосредственное практическое использование солнечной энергии или получение энергии за счет термоядерных реакций требуют для своего решения дальнейшего глубокого изучения физических явлений. 1.2. Физические законы Физические законы устанавливаются путем обобщения опытных данных, и их правильность проверяется на соответствии выводов из них с опытом. Физические законы выражают объективную внутреннюю связь между физическими явлениями и реально существующие зависимости между физическими величинами. По большей части содержание физических законов выражается в математической форме как зависимость между численными значениями а и b данных физических величин А и В. Отсюда становится ясной принципиальная важность для установления физических законов измерения физических величин. Измерить какую-либо физическую величину – значит определенным образом сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу. Например, измерение длины некоторого тела мы производим путем последовательного прикладывания к нему определенного другого тела, длина которого выбрана за единицу длины. Очевидно, результат измерения никогда не может быть абсолютно точен; степень его точности зависит от развития техники измерения и от той тщательности, с которой измерение произведено. Поэтому результат любого измерения может быть дан лишь в следующем виде: численное значение а данной физической величины заключено между приближенными значениями а1 и a2; чем меньше разность a = a1 – a2 по отношению к а, тем точнее оказывается измеренной физическая величина А. Уже из одного этого следует, что устанавливаемые на основании опытов физические закономерности не могут быть абсолютно точными. Таким образом, физические законы, выражающие в математической форме количественные связи между физическими величинами, не являются абсолютно точными; их точность всегда соответствует уровню развития науки и техники данного времени. Приближенный характер физических законов не умаляет их объективного значения: физические законы, хотя и не абсолютно точно, но приближенно и относительно верно выражают объективные свойства материи, и степень их точности повышается в процессе познания окружающей нас природы. Наука на каждом данном историческом этапе своего развития дает нам приближенный „снимок" с действительности, но со временем снимки эти улучшаются и полнее и лучше отражают объективные свойства мира, который в своей совокупности остается неисчерпаемым. 1.3. Единицы измерения Выбор единиц измерения может быть произведен произвольно. Исторически их выбор тесно связан с соображениями практического характера: например, такие единицы измерения, как старинная русская единица длины «локоть» или английский «фут» (в переводе с английского – «стопа»), связаны с размерами человеческого тела. В XVIII столетии французскими учеными была сделана попытка установить «абсолютную» систему, связав единицы измерения с такими объектами, которые не могли бы с течением времени подвергнуться изменениям или быть утерянными. Так, за единицу длины было решено выбрать 1/40 000 000 долю длины меридиана. Однако изготовление такой линейки неминуемо сопряжено с погрешностями. С аналогичными трудностями встретились попытки установить и другие «абсолютные» единицы. Поэтому, начиная с конца прошлого столетия, единицы стали определяться образцовыми (эталонными) телами. Например, единица длины метр определялась как расстояние между двумя черточками на линейке из иридиевой платины, хранящейся в Международном бюро мер и весов. Однако в настоящее время используется в известном смысле «смешанная» система, где часть единиц определяется эталонными телами, а часть – с помощью определенных, воспроизводимых физических явлений. Так, по международной системе единиц (СИ), принятой Международной конференцией в 1960 г., за единицу длины (метр) принимается длина, на которой укладывается 1 650 763,73 длин световых волн оранжевой линии изотопа криптона 86 в пустоте. Определенный таким образом метр очень близок к старому метру, соответствующему расстоянию между черточками на эталонной линейке. Но по сравнению со старым метром он имеет то преимущество, что не может быть утерян и испорчен; со временем он не будет меняться, как может меняться длина эталонной линейки в результате «старения» материала, из которого она сделана. Всегда можно вновь и вновь сравнить какую-либо длину с длиной световой волны оранжевой линии изотопа 86 криптона. За единицу массы в международной системе единиц принята масса тела из иридиевой платины, хранящегося в Международном бюро мер и весов и называемого килограммом (сокращенно кг). За единицу времени принимается время, равное 1/ 31 566 925, 9747 доле тропического года на 1 января 1900 г. Под тропическим годом понимается промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Таким образом, единица времени связана со временем обращения Земли вокруг Солнца. Эта единица времени носит название секунды. Для всякой иной физической величины можно было бы установить свои собственные, вообще говоря, произвольно выбранные единицы измерения. Например, для единицы площади можно было бы выбрать площадь любого данного тела, без всякого отношения к уже выбранной единице длины. Однако такой способ выбора единиц был бы весьма неудобен. Поэтому, например, за единицу площади выбирают площадь квадрата с длиной стороны, равной единице длины. Аналогично поступают и с прочими физическими величинами, устанавливая для них единицы измерения на основании закономерных связей, которыми эти величины связаны с теми, единицы измерения для которых уже выбраны. В международной системе единиц за основные единицы приняты шесть следующих: единица длины – 1 метр (1 м) единица массы – 1 килограмм (1 кг) единица времени – 1 секунда (1 с) единица температуры – 1 градус Кельвина (1 К) единица силы тока – 1 ампер (1 А) единица силы света – 1 свеча (1 св) Единицы измерения других величин вводятся на основании физических закономерностей, связывающих эти величины с основными. Можно строить и другие системы, иначе выбирая основные единицы. Вопросы для самоконтроля: 1. Что изучает наука «физика»? 2. Что необходимо знать о физической величине? 3. Какие единицы физических величин являются основными в СИ? 4. Что выражают физические законы? 5. Что необходимо знать о физическом законе? Лекция № 2. Скорость Цель: ввести понятия: «механическое движение», «система отсчета», «закон движения», «скорость»; вывести закон равномерного прямолинейного движения. Основные понятия: Кинематика – раздел механики, изучающий движение тел без учета причин его вызывающих. Механическое движение – изменение взаимного положения тел или их частей в пространстве с течением времени. Система отсчета – совокупность тела отсчета, связанная с ним система координат и синхронизированные между собой часы. Материальная точка – тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Траектория – линия, описываемая и пространстве движущейся материальной точкой (телом). Пройденный путь – скалярная величина, равная сумме длин всех участков траектории, пройденных материальной точкой за рассматриваемый промежуток времени. Перемещение – вектор, проведенный на начального положения движущейся материальной точки в конечное положение. Поступательное движение – движение, при котором прямая, соединяющая две любые точки тела, остается при движении параллельной самой себе. Прямолинейное движение – движение, траектория которого в данной системе отсчета является прямой линией. Вращательное движение – движение, при котором две точки тела остаются неподвижными. Средняя скорость – скалярная величина, равная отношению длины участка траектории ко времени, за которое пройден этот участок. Мгновенная скорость – скорость тела в данный момент времени. Равномерное движение – движение, при котором скорость остается постоянной по модулю и направлению. 2.1. Механическое движение Все тела, окружающие нас, от звезд и планет до таких мельчайших частиц, как атомы и их составные части, находятся в состоянии непрерывного движения. Простейшей формой движения является изменение положения тел друг относительно друга – механическое движение. Механическое движение лежит в основе движения большинства механизмов и машин, в основе действия всех видов транспорта. Вместе с тем оно является и составной частью более сложных, немеханических процессов. Так, тепловые явления связаны с беспорядочным движением молекул; излучение света с движением электронов в атомах; ядерные реакции с движением и взаимодействием элементарных частиц (протонов, нейтронов, мезонов) и др. Для описания движения тела следует указать, как движутся все его точки. О   дним из видов движения тел является поступательное движение, при котором все точки тела движутся совершенно одинаково; прямая, соединяющая две произвольные точки тела, переносится параллельно себе самой. Очевидно, что для описания поступательного движения тела достаточно описать движение какой-либо одной его точки. Другим простым видом движения является вращательное движение, при котором все точки тела описывают окружности в параллельных плоскостях, причем центры этих окружностей лежат на одной прямой, называемой осью вращения. При решении ряда задач механики целесообразно отвлечься от размеров тела и рассматривать его как материальную точку. Материальной точкой называется тело, размерами которого можно пренебречь в данной задаче. Естественно, что данное понятие является абстракцией, что никаких материальных точек в природе нет. Однако постановка ряда задач механики такова, что позволяет с успехом пользоваться этой абстракцией. Действительно, если пассажира интересует, сколько времени нужно самолету, чтобы долететь из Москвы до Новосибирска, то совершенно не нужно знать характер движения отдельных частей самолета. В то же время нельзя пренебречь размерами и формой самолета, изучая такие явления, как взлет, посадка, сопротивление воздуха и т. п. Аналогично мы можем считать Землю и другие планеты точками, если нас интересует характер их движения вокруг Солнца. Однако если нужно выяснить причины смены дня и ночи или времен года, то ту же Землю уже нельзя считать точкой, а следует учесть ее размеры, вращение вокруг оси, наклон этой оси к плоскости орбиты и т. п. Таким образом, одно и то же тело в одних задачах можно рассматривать как материальную точку, а в других задачах так поступать нельзя. 2.2. Система отсчета. Траектория Если рассмотреть явления, происходящие вблизи поверхности Земли, то мы убедимся в неравноценности различных направлений в пространстве. Так, тело, выпущенное из рук, всегда движется по вертикальному направлению вниз (примерно к центру Земли); свободная поверхность жидкости располагается в горизонтальной плоскости; для движения тела по вертикали вверх ему нужно сообщить начальную скорость, для движения же тела по вертикали вниз начальная скорость не нужна, и т. д. Эта неравноценность различных направлений в пространстве вызвана тем, что Земля притягивает к себе тела. На весьма значительном расстоянии как от Земли, так и от других планет и звезд мы обнаружили бы, что в пространстве, свободном от больших тел, все направления равноценны. Мы говорим, что свободное пространство изотропно, т. е. в нем нет выделенных направлений, обладающих особыми свойствами. Точно так же равноценны все точки пространства, если вблизи этих точек нет больших тел типа планет или звезд, Вследствие этого мы говорим, что свободное пространство однородно, т. е. в нем нет точек, обладающих особыми свойствами. Наконец, однородным является также время. А именно, любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково. Действительно, если сегодня маленький шарик падает с высоты 6 м за 1,1 с, то в этой же лаборатории с этой же высоты он падал столько же времени и месяц назад, и год назад, и столько же времени его падение будет продолжаться 1000 лет спустя. Как мы убедимся далее, из факта однородности времени, однородности и изотропности пространства вытекает ряд важных следствий. Одно из них мы можем учесть уже сейчас: раз пространство однородно (т. е. все его точки равноценны) и изотропно (т. е. все направления в нем равноценны), то невозможно определить положение материальной точки относительно пространства. Однако вполне возможно определить положение одного тела относительно другого. Например, положение лампочки в комнате полностью задается ее расстоянием от пола и расстояниями до двух взаимно перпендикулярных стен. С помощью такой же тройки чисел можно определить положение любого другого тела, находящегося как внутри комнаты, так и вне ее. Системой отсчета называется тело или группа тел, которые в данной задаче рассматриваются как неподвижные и относительно которых определяется положение всех остальных тел. В принципе любое тело может служить системой отсчета, однако не все системы отсчета могут оказаться одинаково удобными. Н  апример, движение Луны относительно Земли (в так называемой геоцентрической системе отсчета) происходит по замкнутой почти круговой орбите (рис. а), но относительно Солнца (т. е. в гелиоцентрической системе отсчета) Луна движется по сложной незамкнутой орбите (рис. б).В том, что одно и то же движение с точки зрения разных систем отсчета происходит по-разному, проявляется относительность механического движения. Вполне может возникнуть ситуация, когда некоторое тело движется в одной системе отсчета и покоится в другой. С  системой отсчета обычно связывают три взаимно перпендикулярные прямые оси координат. Положение точки характеризуется тремя координатами: абсциссой х, ординатой у и аппликатой z. Движущаяся точка описывает в заданной системе отсчета линию, которая называется траекторией. Так, если зажечь прутик и быстро вращать его в воздухе, особенно в темной комнате, то отчетливо будет видна траектория движения уголька на конце прутика. Форма траектории зависит от выбора системы отсчета. Действительно, пусть тело падает в вагоне, который движется относительно Земли. Тогда траектория этого тела относительно вагона будет прямой линией, относительно же Земли это будет кривая (при отсутствии сопротивления воздуха парабола). То же самое можно сказать о траектории, которую описывает какая-либо точка пропеллера движущегося самолета. В системе координат, связанной с самолетом, эта точка движется по окружности; в системе же координат, связанной с Землей, она движется по винтовой линии. Таким образом, понятие формы траектории имеет относительный смысл. Нельзя говорить о форме траектории вообще; речь может идти лишь о форме траектории в заданной системе отсчета (системе координат). 2.3. Радиус-вектор. Перемещение В  выбранной системе отсчета положение материальной точки можно задать направленным отрезком  , проведенным из начала отсчета О в ту точку пространства, где находится материальная точка. Такой направленный отрезок называется радиусом-вектором частицы. Начало отсчета – это некоторая фиксированная точка тела отсчета, выбор которой произволен и определяется исключительно из соображений удобства. П  ри движении материальной точки, т. е. при изменении ее положения, конец радиуса-вектора перемещается в пространстве вместе с материальной точкой. Пусть в некоторый момент времени tl положение материальной точки задается радиусом-вектором  , а в более поздний момент t2 – радиусом-вектором  . Направленный отрезок, проведенный из конца радиуса-вектора в конец радиуса-вектора , называется перемещением частицы за промежуток времени t2 – tl. 2.4. Средняя скорость. Пройденный путь Из рисунка видно, что радиус-вектор , соответствующий положению материальной точки в момент времени t2, равен векторной сумме радиуса-вектора соответствующего положению частицы в момент tl, и вектора перемещения за промежуток времени t2 – tl. Обозначив это перемещение через  , можем написать  . Перенесем в левую часть. Тогда  . Таким образом, перемещение за промежуток времени t = t2 – tl можно рассматривать как разность радиусов-векторов частицы в моменты t2 и tl. Отношение перемещения к промежутку времени t, в течение которого оно произошло, называется средней скоростью на промежутке t:   .Вектор  направлен в ту же сторону, что и перемещение , так как t > 0 – момент времени t2 по определению более поздний, нежели tl. Средняя скорость характеризует быстроту, с которой совершается перемещение. Эта характеристика движения относится к определенному промежутку времени. Поэтому даже для одного и того же движения она может быть совершенно различной, если выбирать разные промежутки времени. Например, средняя скорость бегуна на длинную дистанцию равна нулю, если ее определять за время пробегания целого круга стадиона, и отлична от нуля за половину круга. Обращение в нуль средней скорости за целое число кругов связано с векторным характером этой физической величины. Наряду с ней рассматривают и среднюю скорость прохождения траектории. Будем называть пройденным материальной точкой путем длину s отрезка траектории между двумя ее последовательными положениями. Путь – это скалярная положительная величина. Сравним между собой пройденный за некоторый промежуток времени путь s с модулем перемещения за то же время. В случае криволинейной траектории путь больше модуля соответствующего перемещения, так как длина дуги всегда больше длины стягивающей ее хорды. Путь и модуль перемещения совпадают только при прямолинейном движении в одном направлении. Средняя скорость прохождения пути определяется как отношение пройденного пути к соответствующему промежутку времени:  .Именно эту физическую величину имеют в виду, когда говорят, например, что спортсмен пробежал дистанцию со средней скоростью 6,5 м/с. |