№21 ЕН. Ф.3 Физика (1). Положение об учебнометодических комплексах дисциплин Физика

• Название: Положение об учебнометодических комплексах дисциплин Физика
• Дата: 08.12.2021
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: №21 ЕН. Ф.3 Физика (1).doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #295981
• страница: 3 из 7

Электронные информационные образовательные ресурсы

1. 
   http://window.edu.ru/resource/757/61757/files/lection_part1.pdf Лунин Л.С., Благин А.В., Баранник А.А. Лекции по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика и термодинамика. – Новочеркасск: Волгодонский институт ЮРГТУ, 2006. – 184 с.
   
2. 
   http://window.edu.ru/resource/622/69622/files/malhanov_physics.djv Мальханов С.Е. Общая физика: Конcпект лекций. – СПб.: СПбГПУ, 2001. – 437 с.
   
3. 
   http://window.edu.ru/resource/416/61416/files/physics.pdf Ваган В.А., Конкин Б.Б., Сафронов В.П. Курс физики в трех частях. Часть 1: Механика. Молекулярная физика и термодинамика: Пособие для студентов вузов. – Ростов-на-Дону: РГАСХМ, 2009. – 82 с.
   
4. 
   http://window.edu.ru/resource/201/77201/files/ulstu2012-27.pdf Б раже, Р. А. Лекции по физике: учебное пособие / Р.А. Браже. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 383 с.
   
5. 
   http://window.edu.ru/resource/708/57708/files/egpu11.pdf Акулинина А.В., Сабирова Ф.М. Методическое пособие по курсу общей физики. Молекулярная физика. Термодинамика: Учебно-методическое пособие для студентов нефизических специальностей и заочных отделений. – Елабуга: Изд-во Елабужского пед. ин-та, 2003. – 66 с.
   

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

( ДВФУ)

ШКОЛА БИОМЕДИЦИНЫ

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
по дисциплине «Физика»

240000 / 240902.65 Биотехнология / Пищевая биотехнология

Форма подготовки очная

г. Владивосток

2012

Методологические основы самостоятельной работы студентов по физике

Обобщенные структурные элементы курса
Одна из особенностей высшей школы заключается в том, что за сравнительно короткий период (семестр, год) студент, изучая многочисленные дисциплины, обязан переработать и усвоить огромный объем информации. С первых же занятий по физике, лекций, семинарских, лабораторных на студента обрушивается поток информация. Для того чтобы не утонуть, не "захлебнутся", необходимо знать некоторые общие ориентиры, с помощью которых можно и нужно полученную информацию правильно переработать и усвоить. Таким ориентиром является совокупность важнейших обобщенных физических понятий: физическая система, физическая величина, физический закон, физическая модель, физические явления, физическая теория, состояние и процесс.

1.1. Физическая система. Физической системой называется любая совокупность физических объектов (и один объект может составлять физическую систему). Атом и земной шар, молекула и звезда, облако и амперметр, пароход и самолет и т.д.  все это примеры и физических объектов и физических систем. При изучении любого физического явления прежде всего выбирают (выделяют) физическую систему, т.е. перечисляют те физические объекты, которые входят в эту выделенную систему.

Все остальные физические объекты называют внешними телами. Выбор физической системы является произвольным, все зависит от конкретных условий (задачи, проблемы и т.д.). Например, изучая движение искусственного спутника Земли, можно в физическую систему включить только один объект  спутник. Тогда Земля, Луна, Солнце и другие объекты будут внешними; можно в физическую систему включить два объекта  спутник и Землю. В этом случае Земля является внутренним объектом системы. Но еще раз напомним, что анализ, рассмотрение, изучение любого физического явления начинают с анализа физической системы.

1.2. Физическая величина. Объекты любой системы обладают некоторыми физическими свойствами и могут участвовать в различных физических процессах. Для характеристики физических свойств объектов и процессов в физике вводится понятие «физическая величина». Таким образом, физическая величина выражает какое-либо физическое свойство объекта или определяет какую-то сторону физического процесса. Например, такие физические величины как масса m, момент инерции J, электрический заряд q и т.д. выражают соответствующие свойства макроскопического физического объекта. Физические же величины скорость v, ускорение a, сила тока I и т.д. является характеристиками соответствующих физических процессов.

Непременным свойством любой физической величины является возможность ее измерения. В физике нет ни одной физической величины, которая не могла бы быть измерена. Вот почему физика  опытная, экспериментальная наука.

Заметим, что результаты опыта в физике считаются высшей и последней инстанцией истины. Каждой физической величине соответствует одна или несколько единиц, с помощью которых можно измерять эту величину.

Очень важно уметь давать правильное (теоретическое) определение той или иной физической величины. Выше было сказано, что физическая величина выражает какое-либо свойство, общее в качественном отношении с многими физическими объектами. В определении физической величины и должно быть отражено ее качество, все то главное, что и будет отличать данную физическую величину от других. Рассмотрим несколько примеров.

Момент инерции твердого тела J сложное понятие. Сначала необходимо дать определение момента инерции J материальной точки относительно некоторой оси вращения. Пусть масса материальной точки равна m и она находится на расстоянии r от оси. Тогда, по определению, моментом инерции материальной точки относительно оси называется физическая величина, численно равная произведению массы m материальной точки на квадрат ее расстояния от этой оси: J= m r². Из этого определения видно, что качество этой физической величины отражает не только массу m материальной точки, но и ее расположение относительно оси (расстояние r). Твердое тело можно разделить на некоторое число материальных точек. Тогда, по определению, моментом инерции J твердого тела относительно оси называется сумма моментов инерции всех его материальных точек:



где m_i масса i- й материальной точки, r_i расстояние от этой материальной точки до оси вращения.

Из определения видно, что качественно момент инерции J твердого тела характеризует распределение массы этого тела относительно оси.

Момент инерции J входит в основное уравнение вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси:

М = J,

где М суммарный момент действующих на тело сил относительно оси вращения,  угловое ускорение.

Можно было бы, исходя из этого закона, дать такое "определение" момента инерции: моментом инерции твердого тела относительно оси называется физическая величина, численно равная отношению суммарного момента всех сил относительно оси к угловому ускорению тела. Такое "определение" неверно хотя бы потому, что в нем не отражено качество этой величины (зависимость величины момента инерции от формы тела и от расположения оси вращения). Кроме того, оно неверно и с точки зрения физического смысла этого закона. Это, однако, не означает, что записанный закон нельзя использовать для вычисления момента инерции при решении различных задач.

Сила тока I. Это величина характеризует процесс (явление) упорядоченного движения свободных электрических зарядов, т.е. ток проводимости. По определению, сила тока численно равна количеству электричества q, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Следовательно, качество этой величины характеризуется тем электрическим зарядом, который проходит за единицу времени сквозь поперечное сечение проводника. Чем больше этот заряд, тем больше сила тока в цепи:

.

Сила тока I входит в закон Ома для однородного участка цепи:



где U напряжение, R сопротивление. Неверно будет такое «определение» силы тока: сила постоянного тока численно равна отношению напряжения, приложенному к участку цепи, к сопротивлению этого участка. Оно неверно с точки зрения того, что в нем нет качества этой величины (электрический заряд в единицу времени), и с точки зрения физического смысла этого закона.

Частота волны . По определению, частота волны  это частота колебаний источника волны. Частота же колебаний источника определяется числом его полных колебаний за единицу времени. Это и есть качество частоты (число колебаний источника за единицу времени). Частота входит в уравнение, связывающее длину волны , фазовую скорость волны  и частоту :

=/

Неверным было бы такое "определение" частоты: частотой волны называется физическая величина, численно равная отношению фазовой скорости  волны к длине волны .

1.3. Методика изучения физического закона. В любом физическом явлении проходит изменение каких-либо физических величин. Это изменение происходит не случайно и хаотически, а закономерно.

Физический закон выражает устойчивую и необходимую связь или зависимость между несколькими физическими величинами.

При изучении каждого физического закона необходимо обратить внимание на три важнейших момента: физический смысл закона, условия применимости и методы применения закона к решению различных задач.

Физический смысл  это сущность закона, его главное содержание. Физический смысл закона заключается в той связи или зависимости между физическими величинами, которую отражает данный закон. Например, в законе всемирного тяготения сила притяжения между двумя произвольными точечными телами зависит прямо пропорционально от произведения масс этих тел и обратно пропорционально от квадрата расстояния между ними. Однако, масса каждого из тел не зависит от его расстояния до другого или от силы взаимодействия между ними. Во втором законе Ньютона



ускорение зависит прямо пропорционально от действующей на тело силы и обратно пропорционально от массы тела, но масса тела не зависит от силы, а также (в классической механике) и от ускорения. В законе Ома для однородного участка цепи



сила тока зависит прямо пропорционально от напряжения и обратно пропорционально от сопротивления и именно в этих зависимостях и заключается физический смысл этого закона. Сопротивление же не зависит ни от силы тока, ни от напряжения.

Закон, связывающий длину волны, фазовую скорость распространения волны  и частоту волны , можно записать в трех различных формах: =; =/; =/. Но только третья форма соответствует истинному физическому смыслу этого закона: длина волны прямо пропорциональна скорости  и обратно пропорциональна частоте . Частота же, например, не зависит ни от длины волны , ни от скорости распространения волны , а определяется параметрами источника волн. Таким образом, физический смысл закона отражает причинно-следственную связь или зависимость физических величин, входящих в этот закон.

Условия (границы) применимости закона. Это свойство (законов) заключается в том, что все физические законы относительны. Относительны в том смысле, что утверждения, в них заключающиеся, справедливы не абсолютно, не всегда и не везде, а лишь при определенных условиях, которые называются условиями применимости закона. Например, закон S=t справедлив лишь для прямолинейного и равномерного движения. Закон всемирного тяготения применяется лишь только для материальных точек или сферических тел. Закон сохранения импульса верен для замкнутой системы тел и т.д. Если условия применимости закона не выполнены, то данный закон не справедлив, и его применять нельзя. Условия применимости физических законов необходимо учитывать при решении практических задач.

Метод (алгоритм) применения закона. Метод применения заключается в совокупности предварительных операций и действий, которые необходимо совершить для того, чтобы правильно записать данный закон в каждом конкретном случае.

При решении задач по физике недостаточно знать соответствующий закон (его физический смысл, условия применимости и т.д.), необходимо еще уметь применять его в конкретных условиях. Для каждого физического закона существует метод (алгоритм) его применения. Например, для того чтобы правильно записать второй закон Ньютона в форме F=ma, необходимо выполнить следующую последовательность действий. Во первых, проверяют, выполнены ли условия применимости этого закона (если хотя бы одно из них нарушено, то закон применять нельзя). Во вторых, выбирают инерциальную систему отсчета (данный закон применим только по отношению к таким системам отсчета). В третьих, находят все силы, действующие на данное тело (в закон входит физическая величина F геометрическая сумма всех сил, действующих на тело массы m). В четвертых, определяют проекции всех сил на оси координат (второй закон Ньютона  векторный закон). В пятых, находят алгебраическую сумму проекций всех сил на каждую ось координат (F_xi , F_yi, F_zi). И, наконец, в шестых, записывают второй закон Ньютона в виде системы трех скалярных уравнений:

F_xi = ma_x ,

F_yi = ma_y,

F_zi = ma_z ,

где a_x , a_y, a_z проекции вектора ускорения на координатные оси ОХ, ОУ, ОZ.

1.4.Идеальные объекты и процессы в физике. Физическая модель.

Очень часто в науке объектом рассмотрения выступает не реальная вещь, а ее идеальный образ  модель. Это объясняется тем, что реальные объекты и явления настолько сложны и взаимосвязаны, что их изучение и количественное исследование с учетом всех сторон, взаимосвязей и взаимодействий предоставляло бы непреодолимые математические трудности. Разумная идеализация конкретных физических задач и проблем является важнейшей чертой физики как науки. Если бы физики не идеализировали явлений и задач, то они не смогли бы до конца решить ни одной конкретной задачи, не смогли бы исследовать ни одно физическое явление. Очень часто упрощающие условия и ограничения формулируются в самой задаче, но иногда они присутствуют в скрытом или неявном виде. Рассмотрим, например, условие одной такой задачи.

Тело выпущено под углом ? к горизонту с начальной скоростью ₀. Найти дальность полета тела. Сопротивлением воздуха пренебречь. Одно дополнительное условие, упрощающее задачу (сопротивлением воздуха пренебречь), явно указано в условии задачи. Однако многие другие упрощающие условия только подразумеваются:

а) не учитывается движение Земли вокруг Солнца;

б) не учитывается вращение Земли вокруг собственной оси;

в) предполагается, что вектор ускорения свободного падения g в любой точке траектории тела имеет одно и то же направление;

г) модуль ускорения свободного падения на Земле считается постоянным: g= 9,8 м/с² =const;

д) тело принимается за материальную точку.

В данной задаче влияние пунктов "а", "б", "в", "г" настолько несущественно, что ими действительно можно пренебречь, но эти условия очень сильно упрощают задачу. Если отбросить, например, пункт "в", и считать Землю шаром (тогда вектор ускорения в различных точках траектории будет иметь неодинаковое направление), и задача усложняется. Если учитывать все дополнительные условия, то она становится крайне сложной.

В различных задачах упрощающие условие разнообразны, но общим для всех способов идеализации является пренебрежение несущественными, второстепенными связями и взаимодействиями. Возникает вопрос о критериях такого пренебрежения: когда, при каких условиях можно той или иной связью или взаимодействием пренебречь, а в каких  нельзя? Этот вопрос тесно связан с методом анализа решения задачи и методом оценки получившегося результата, которые подробно будут рассмотрены ниже.

Чаще всего в теоретических исследованиях и при решении физических задач используются следующие два способа идеализации: введение идеальных физических объектов и пренебрежение несущественными взаимодействиями и процессами. К последнему способу относится и введение в рассмотрение идеальных физических объектов.

Важно заметить, что когда говорят о том, что каким-либо свойством идеального физического объекта пренебрегают, то, на самом деле, этим свойством данное тело обладает, но в конкретных условиях задачи оно (свойство) проявляет себя столь слабо, что им можно пренебречь.

В физике вводится множество идеализированных объектов, используемых при решении физических задач. Приведем некоторые из них.

Материальная точка. Фундаментальный и универсальный физический объект. В понятии материальной точки пренебрегают геометрическими размерами тела по сравнению с характерными расстояниями, рассматриваемыми в данной задаче.

Абсолютно твердое тело (или просто твердое тело). В этом идеальном объекте пренебрегают возможностью тел деформироваться.

Абсолютно упругое тело.Здесь пренебрегают остаточной деформацией тела. Она в условиях конкретной задачей столь мала, что ее можно не учитывать. Важно заметить, что при взаимодействии абсолютно упругих тел не происходит превращения механической энергии в другие виды энергии (т.е. выполняется закон сохранения механической энергии).

Абсолютно неупругое тело. В этом случае пренебрегают способностью тел восстанавливать свою первоначальную форму после деформации. Это свойство у абсолютно неупругого тела практически не проявляется и им можно пренебречь. Примеры других идеальных объектов будут приведены в дальнейшем.

При таком способе идеализации обычно или вводят идеальные физические процессы, или пренебрегают несущественными физическими процессами (явлениями) и взаимодействиями. Примерами идеальных процессов являются изохорический, изобарический, изотермический, адиабатический и другие процессы.

Иногда, решая конкретную задачу, пренебрегают изменением той или иной физической величины, зная, что это измерение мало по сравнению с характерными размерами тел, встречающихся в задаче. Например, в рассмотренном выше примере принималось, что модуль ускорения свободного падения (g= 9,8 м/с² ) постоянен, вопреки хорошо известному факту  зависимости этого значения от высоты тела над поверхностью Земли. Но так как высота подъема тела (несколько километров) мала по сравнению с радиусом Земли (R=6500 км), то предположение о том, что в данной задаче модуль ускорения свободного падения g постоянен, является вполне разумным.

Таким образом, для упрощения решения задач, физики рассматривают вместо реального физического явления его схематическую модель. Обычно в модели реального физического явления отражается главное, основное, учитываются только существенные связи и взаимодействия и вместо реальных тел рассматриваются разнообразные идеальные объекты. Очень часто успех в решении той или иной физической задачи или проблемы зависит от того, насколько удачно выбрана эта модель.