Курс лекций по физике. Лумпиева_Ч_1_Физика_Конспект-2016. Конспект лекций по физике. Часть 1 Т. П. Лумпиева, А. Ф. Волков До нецк Доннту, 2016. 123 с. Конспект лекций по физике написан в соответствии с программой курса
 Скачать 1.44 Mb.
|
|
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Т.П. Лумпиева, А.Ф. Волков Конспект лекций по физике Часть 1 • ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ • МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА • ЭЛЕКТРОСТАТИКА • ПОСТОЯННЫЙ ТОК • ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 2016 УДК 53(071) Конспект лекций по физике. Часть 1 / Т.П. Лумпиева, А.Ф. Волков − До- нецк: ДонНТУ, 2016. – 123 с. Конспект лекций по физике написан в соответствии с программой курса «Физика» для инженерно-технических специальностей высших учебных заве- дений. Содержание первой части составляют разделы: физические основы ме- ханики, молекулярная физика и термодинамика, электростатика и постоянный ток, электромагнетизм. Конспект предназначен для студентов заочной и очно-заочной формы обучения. © Лумпиева Т.П., Волков А.Ф. 2016 © Донецкий национальный технический университет, 2016 3 СОДЕРЖАНИЕ Условные обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 §1 Предмет физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 §2 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 ЧАСТЬ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 §3 Кинематика материальной точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3 .1 Основные понятия кинематики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3 .2 Система отсчёта. Траектория. Путь. Перемещение . . . . . . . . . . . . . 11 3 .3 Способы задания положения тела в пространстве . . . . . . . . . . . . . . 12 3 .4 Скорость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.5 Ускорение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 §4 Кинематика вращательного движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4 .1 Характеристики вращательного движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 .2 Связь между линейными и угловыми характеристиками . . . . . . . . 18 §5 Динамика материальной точки и поступательного движения твёрдого тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 5 .1 Основные понятия динамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 5 .2 Виды взаимодействий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.3 Основные законы динамики материальной точки (законы Ньютона) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 5.3 .1 Первый закон Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 5.3 .2 Второй закон Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.3 .3 Третий закон Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 5.4 Закон сохранения импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 §6 Динамика вращательного движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6 .1 Основные характеристики динамики вращательного движения. . . 25 6 .1.1 Момент инерции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6 .1.2 Момент импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6 .1.3 Момент силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6 .2 Основное уравнение динамики вращательного движения . . . . . . . 28 6 .3 Закон сохранения момента импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 §7 Механическая работа. Мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 7 .1 Работа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 7 .2 Графическое представление работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 7 .3 Мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 7 .4 Работа и мощность при вращательном движении . . . . . . . . . . . . . . 33 §8 Энергия. Закон сохранения энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 8 .1 Кинетическая энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 8 .2 Потенциальная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 8 .2.1 Консервативные и неконсервативные силы . . . . . . . . . . . . . . . . 35 8 .2.2 Работа и потенциальная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 8 .3 Закон сохранения механической энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 §9 Соударение тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4 §10 Элементы специальной теории относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 10 .1 Принцип относительности Галилея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 10 .2 Постулаты специальной теории относительности . . . . . . . . . . . . . 39 10 .3 Преобразования Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 10 .4 Следствия из преобразований Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 10 .5 Основные соотношения релятивистской динамики . . . . . . . . . . . . 41 ЧАСТЬ 2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА . . . . . . . . . 43 §11 Статистический и термодинамический методы исследования . . . . . . . 43 §12 Характеристики атомов и молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 §13 Параметры состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 §14 Уравнение состояния идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 §15 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов . . . . . . 47 §16 Молекулярно-кинетическая трактовка термодинамической температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 §17 Распределение Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 §18 Средние скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 §19 Идеальный газ в однородном поле тяготения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 19.1 Барометрическая формула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 19.2 Распределение Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 §20 Состояние термодинамической системы. Термодинамический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 §21 Работа, совершаемая системой при изменении объёма . . . . . . . . . . . . . 54 §22 Внутренняя энергия термодинамической системы . . . . . . . . . . . . . . . . 54 22 .1 Число степеней свободы. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 22 .2 Внутренняя энергия идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 §23 Первое начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 §24 Теплоёмкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 §25 Тепловые машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 25 .1 Круговые процессы (циклы) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 25 .2 Тепловая машина. Кпд тепловой машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 25 .3 Цикл Карно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 §26 Второе начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 26 .1 Термодинамические формулировки второго начала термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 26 .2 Приведённое количество тепла. Энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 26 .3 Энтропия и вероятность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 26 .4 Границы применимости второго начала термодинамики . . . . . . . 62 §27 Термодинамическое описание процессов в идеальных газах . . . . . . . . 62 27 .1 Изохорный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 27 .2 Изобарный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 27 .3 Изотермический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 27 .4 Адиабатный процесс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5 §28 Реальные газы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 28 .1 Силы межмолекулярного взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 28 .2 Уравнение Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 28 .3 Экспериментальные изотермы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 §29 Явления переноса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 29 .1 Среднее число столкновений молекул в единицу времени Средняя длина свободного пробега молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 29 .2 Явления переноса в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 29 .2.1 Теплопроводность газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 29 .2.2 Диффузия в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 29 .2.3 Внутреннее трение (вязкость) газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 ЧАСТЬ 3. ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . 74 §30 Электрический заряд. Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 30 .1 Свойства заряженных тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 30 .2 Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 §31 Электрическое поле. Характеристики электрического поля . . . . . . . . . 75 31 .1 Напряжённость электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 31 .2 Потенциал электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 §32 Графическое изображение электростатических полей . . . . . . . . . . . . . . 78 §33 Связь между напряжённостью электростатического поля и потенциалом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 §34 Расчёт электростатических полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 34 .1 Теорема Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 34 .2 Примеры расчёта электростатических полей . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 34 .2.1 Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити) 81 34 .2.2 Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости . . . . . . . 82 34 .2.3 Поле равномерно заряженной сферической поверхности . . . . 83 §35 Электрический диполь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 §36 Диэлектрики в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 36 .1 Классификация диэлектриков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 36 .2 Поляризация диэлектриков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 36 .3 Поле внутри диэлектрика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 §37 Проводники в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 §38 Электроёмкость. Энергия электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 38 .1 Электроёмкость уединённого проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 38 .2 Конденсаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 38 .3 Энергия электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 §39 Электрический ток. Характеристики тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 §40 Электродвижущая сила. Напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 §41 Закон Ома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 41 .1 Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление . . . . . 94 41 .2 Закон Ома для неоднородного участка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 41 .3 Закон Ома в дифференциальной форме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6 §42 Разветвлённые цепи. Правила Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 §43 Работа и мощность тока. Закон Джоуля −Ленца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 ЧАСТЬ 4. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 §44 Магнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 44 .1 Характеристики магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 44.2 Графическое изображение магнитных полей . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 §45 Расчёт магнитных полей. Закон Био-Савара-Лапласа . . . . . . . . . . . . . . 103 45 .1 Закон Био-Савара-Лапласа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 45.2 Примеры расчета магнитных полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 §46 Законы магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 46 .1 Магнитный поток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 46 .2 Теорема Гаусса для магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 46.3 Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока . . 106 §47 Действие магнитного поля на проводник с током . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 47 .1 Закон Ампера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 47 .2 Работа, совершаемая при перемещении проводника с током . . . . 108 §48 Магнитный момент. Контур с током в магнитном поле . . . . . . . . . . . . 109 48 .1 Магнитный момент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 48.2 Вращающий момент, создаваемый силами, приложенными к контуру . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 §49 Сила Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 §50 Эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 §51 Магнитное поле в веществе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 51 .1 Намагничение магнентика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 51 .2 Классификация магнетиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 51 .3 Диамагнетики. Парамагнетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 51 .4 Ферромагнетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 §52 Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 52 .1 Явление электромагнитной индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 52 .2 Принцип работы генератора переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . 117 52 .3 Токи Фуко . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 §53 Самоиндукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 53 .1 Индуктивность контура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 53 .2 ЭДС самоиндукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 53 .3 Токи при замыкании и размыкании цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 §54 Взаимная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 §55 Энергия магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Условные обозначения 7 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ А − работа А r − относительная атомная масса химического элемента a − ускорение n a − нормальное ускорение τ a − тангенциальное ускорение B − магнитная индукция С − электрическая емкость (электроемкость) С V − молярная теплоемкость при постоянном объеме С Р − молярная теплоемкость при постоянном давлении V c − удельная теплоемкость при постоянном объеме p c − удельная теплоемкость при постоянном давлении с − скорость света в вакууме D − коэффициент диффузии D − электростатическая индукция (электрическое смещение) d эф − эффективный диаметр молекулы E − напряженность электрического поля F − сила G − постоянная всемирного тяготения g – ускорение свободного падения H − напряженность магнитного поля I − сила постоянного тока i − индекс суммирования, число степеней свободы, сила тока J − момент инерции J − намагниченность j − плотность тока K − коэффициент теплопроводности k − коэффициент жесткости, постоянная Больцмана L − индуктивность L − момент импульса М − молярная масса М r − относительная молекулярная масса вещества M − момент силы m − масса тела m 0 – масса покоя, масса одной молекулы N − сила нормальной реакции опоры, число молекул, механическая мощность N A − число Авогадро n − концентрация Р – мощность электрического тока V P − поляризованность р − давление p − импульс тела, дипольный момент диполя Условные обозначения 8 m p − магнитный момент контура с током Q − количество тепла, тепло q − электрический заряд R − радиус окружности, универсальная газовая постоянная, электрическое со- противление r – коэффициент сопротивления среды r − радиус-вектор S − путь, энтропия, площадь Т − период вращения, абсолютная температура t − время U − внутренняя энергия, напряжение V − объем > < v − среднеарифметическая скорость молекул газа в v − наиболее вероятная скорость молекул газа > < кв v − среднеквадратичная скорость молекул газа v − скорость W − энергия, термодинамическая вероятность W к − кинетическая энергия W п − потенциальная энергия w − объемная плотность энергии > < z − среднее число столкновений за единицу времени α – температурный коэффициент сопротивления γ − коэффициент Пуассона r ∆ − перемещение ε − относительное удлинение, диэлектрическая проницаемость среды, электро- движущая сила ε − угловое ускорение > ε < − средняя кинетическая энергия молекулы η − коэффициент полезного действия, коэффициент внутреннего трения (дина- мическая вязкость). > λ < − средняя длина свободного пробега µ − коэффициент трения, магнитная проницаемость среды ν − частота вращения, число молей ρ − плотность, удельное сопротивление σ − механическое напряжение, поверхностная плотность заряда, удельная элек- тропроводность τ − линейная плотность заряда Φ − поток вектора напряженности электрического поля, магнитный поток ϕ − угол поворота, потенциал электростатического поля Ψ − полный магнитный поток (потокосцепление) ω − угловая скорость ω − циклическая частота Физические основы механики 11 |