ВВЕДЕНИЕ. доктора технических наук профессора А.И

Э.М. Нуруллаев., Н.А. Вдовин

ФИЗИКА

Часть I

МЕХАНИКА.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

И ТЕРМОДИНАМИКА

Под общей редакцией

доктора технических наук профессора А.И. Цаплина

Допущено Научно-методическим советом по физике

Министерства образования и науки Российской

Федерации в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по техническим

направлениям подготовки и специальностям

Пермь 2007

УДК 53(0758)

ББК 22.3

Рецензенты:

Кафедра общей физики Пермского государственного университета.

Зав. кафедрой медицинской и биологической физики Пермской государственной медицинской академии имени академика Е. А. Вагнера профессор, доктор физико-математических наук Г. Е. Кирко.

Нуруллаев Э.М., Вдовин Н.А

Физика: Учеб. пособие. Часть I. Механика. Молекулярная физика и термодинамика / Под общ. ред. А.И. Цаплина; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2007. – 157 с.

Приведен теоретический материал для самостоятельного изучения физики, включающий в себя основные сведения из теории и вопросы для самоконтроля. Предназначено для студентов заочного отделения всех специальностей и преподавателей общей физики.

Ó Пермский государственный

технический университет, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………
1. Кинематика поступательного и вращательного движения абсолютно твeрдого тела………………………………………………………………..
1.1. Поступательное движение…………………………………………….
1.2. Вращательное движение ……………………………………………...
Вопросы для самоконтроля…………………………………………..
2. Динамика поступательного движения…………………………………….
2.1. Фундаментальные взаимодействия…………………………………..
2.2. Основные характеристики динамики Ньютона……………………...
2.3. Закон инерции. Инерциальные системы отсчета…………………..
2.4. Масса и закон сохранения импульса…………………………………
2.5. Второй закон Ньютона………………………………………………...
2.6. Третий закон Ньютона и закон сохранения импульса………………
2.7. Преобразования и принцип относительности Галилея
2.8. Основной закон динамики поступательного движения и закон сохранения импульса для системы материальных точек…………..
2.9. Некоторые силы, рассматриваемые в механике……………………..
2.10. Практическое применение законов Ньютона………………………
2.11. Движение тела с переменной массой ………………………………
Вопросы для самоконтроля…………………………………………..
3. Динамика вращательного движения твердого тела………………………
3.1. Основной закон динамики вращательного движения………………
3.2. Закон сохранения момента импульса………………………………...
Вопросы для самоконтроля…………………………………………...
4. Работа. Мощность. Энергия………………………………………………..
4.1. Работа и мощность при поступательном движении ………………..
4.2. Работа и мощность при вращательном движении…………………..
4.3. Кинетическая энергия при поступательном движении……………..
4.4. Кинетическая энергия вращающегося тела………………………….
4.5. Потенциальная энергия………………………………………………..
4.6. Силы и потенциальная энергия……………………………………….
4.7. Закон сохранения энергии…………………………………………….
4.8. Применение законов сохранения к соударениям тел……………….
Вопросы для самоконтроля…………………………………………...
5. Колебательное движение…………………………………………………..
5.1. Механические колебания……………………………………………...
5.2. Гармонические колебания…………………………………………….
5.2.1. Кинематические характеристики гармонического колебания…
5.2.2. Динамические характеристики гармонического колебания…...
5.3. Маятник………………………………………………………………...
5.3.1. Математический маятник………………………………………...
5.3.2. Физический маятник………...……………………………………
5.4. Сложение гармонических колебаний………………………………..
5.4.1. Сложение колебаний одной частоты, направленных вдоль одной прямой……….……….………………………………..….
5.4.2. Биения……………………………………………………………...
5.4.3. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний……………..
5.5. Затухающие колебания………………………………………………..
5.6. Вынужденные колебания……………………………………………..
Вопросы для самоконтроля…………………………………………..
6. Упругие волны……………………………………………………………...
6.1. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны……………
6.2. Энергия упругих волн. Вектор Умова………………………………..
6.3. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравне­ние………………………………………………………...............…...
6.4. Принцип суперпозиции. Групповая скорость……………………….
6.5. Интерференция волн…………………………………………………..
6.6. Стоячие волны…………………………………………………………
Вопросы для самоконтроля…………………………………………..
7. Молекулярная физика………………………………………………………
7.1. Предмет молекулярной физики и термодинамики. Статистический и термодинамический методы изучения макроскопических систем
7.2. Основные положения молекулярно-кинетической теории…………
7.3. Газообразное состояние вещества. Идеальный газ………………….
7.4. Параметры состояния идеального газа………………………………
7.5. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (урав­не­­­ние Клаузиуса) и следствия из него……………………………….
7.6. Закон Максвелла распределения молекул идеального газа по ско­­ростям и энергиям…………………………………………………....
7.7. Опыт Штерна………………………………………………………..
7.8. Идеальный газ в однородном поле тяготения. Барометрическая фор­мула. Распределение Больцмана……………………………….....
7.9. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул
7.10. Явление переноса в газах…………………………………………….
7.11. Реальные газы………………………………………………………...
7.12. Уравнение Ван-дер-Ваальса…………………………………………
7.13. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля – Томсона...
7.14. Элементы механики жидкостей. Давление в жидкости и газе……
7.15. Уравнение Бернулли…………………………………………………
7.16. Движение тел в жидкостях и газах………………………………….
Вопросы для самоконтроля………………………………………..
8. Термодинамика……………………………………………………………..
8.1. Внутренняя энергия, работа и теплота……………………………….
8.2. Внутренняя энергия идеального газа. Степени свободы системы…
8.3. Работа и теплота……………………………………………………….
8.4. Первое начало термодинамики……………………………………….
8.5. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам в иде­альном газе………………….……………………………………...
8.6. Политропические процессы…………………………………………..
8.7. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его КПД………………………………………………………………….
8.8. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термо­динами­ческой вероятностью……………………………………………..…...
8.9. Второе начало термодинамики……………………………………….
8.10. Применение второго начала термодинамики для определения из­ менения энтропии в процессах идеального газа……………...…..
8.11. Третье начало термодинамики, или теорема Нернста – Планка….
Вопросы для самоконтроля………………………………………….
Список литературы………….....…………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Физика играет огромную роль в развитии современной техники (машиностроения, электротехники, электроники, теплотехники, ядерной энергетики и др.) и всех отраслей народного хозяйства. Это определяет ее особое значение для высшего образования, поскольку:

1) физика является базой для всех общеинженерных и техни­ческих дисциплин ­­- сопротивления материалов, теоретической меха­ники, теплотех­ни­ки, электротехники, различных технологических курсов и др.;

2) пути развития любой отрасли современного производства очень тесно переплетаются с физикой; поэтому инженер любого про­филя должен владеть ею, чтобы применять новейшие достижения фи­зики в своем производстве.

«Физика» ­­- в переводе с греческого «природа». Наряду с дру­гими естественными науками (астрономия, химия, биология и др.) физика изучает свойства окружающего нас мира. Современная физика есть наука о строении материи, о простейших и наиболее общих фор­мах ее движения, о взаимных превращениях форм движения и видов материи. Под материей понимают все то, что существует объективно, т.е. независимо от человеческого созна­ния, и что познается в чувственном человеческом опыте.

Наиболее важным свойством материи является движение. Движе­ние ­­- способ существования материи, оно неуничтожимо. Движение в философском смысле ­­- всякое изменение материи, всякий происхо­дящий в природе процесс: физический, химический, биологический, геологический, общественный и др. Физика изучает простейшие и в то же время наиболее общие формы движения материи ­­- механическую, тепловую, электромагнитную, внутриатомную и т.д., которые содер­жатся во всех более сложных формах движения.

Среди всех форм движения особую роль играет механическое движение. Это объясняется тем, что механическое движение, наиболее простое и наглядное, исторически изучалось первым, все более слож­ные формы движения включают в себя простое механическое перемеще­ние. Любой вид движения происходит в пространстве и во времени, а механическое движение как раз и определяет пространственно-времен­ные характеристики всех процессов.

Простейшую форму движения материи ­­- меха­ническое движение изучает механика. Механическим движением называется процесс из­менения взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени.

Механическое движение можно рассматривать с разных точек зрения:

1) с геометрической, т.е. изучать внешнюю сторону различ­ных видов движения, не вникая в причины, ко­торые обусловливают эти движения;

2) с причинно-следственной, т.е. изучать движение с точки зрения тех взаимодействий, которые его обусловливают или изменяют.

Разделы механики, изучающие движение с указанных точек зре­ния, называются соответственно кинематикой и динамикой. Особо рассматриваются условия равновесия (статика).

Понятие «механическое движение» неприменимо к одному, от­дельному телу. О движении данного тела имеет смысл говорить лишь тогда, когда есть возможность определять его положение относитель­но другого тела или других тел. Поэтому, приступая к изучению дви­жения какого-либо тела, мы должны сначала условиться, по отноше­нию к какому телу это движение будем рассматривать. Тело или система тел, по отношению к которым определяется положение других тел, называется телом отсчета.

Для определения положения какой-либо точки в пространстве и аналитического описания ее движения с выбранным телом отсчета связывают координатную систему. Наиболее удобной и часто употребляемой является прямоугольная (декартова) система координат, в которой положение материальной точки М однозначно опреде­ля­ет­ся координатами x, y, z (рис. В.1).

Движение происходит как в про­стран­стве, так и во времени. Поэтому для опи­са­ния движения необходим также отсчет вре­ме­ни. Это делается с помощью часов.