 |
Учебные материалы по разделам курса физики
|
|
|
|
ФИЗИКА
Методические рекомендации для самостоятельной работы
студентов технических специальностей заочной и дистанционной форм обучения
Часть 2
ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ТОК.
МАГНЕТИЗМ. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Могилев 2014
Содержание
1 Программа курса физики. 4
2 Методические указания к решению задач контрольных работ 5
3 Учебные материалы по разделам курса физики. 6
3.1 Электростатика. 6
3.2 Постоянный электрический ток. 20
3.3 Электромагнетизм. 27
3.4 Колебания и волны.. 37
Список литературы.. 46
Приложение А.. 47
Программа курса физики
Электростатика. Закон сохранения электрического заряда. Основные характеристики электростатического поля – напряженность и потенциал. Напряженность как градиент потенциала. Расчет электростатических полей методом суперпозиции. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского – Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Остроградского – Гаусса к расчету поля. Электрическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Типы диэлектриков. Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость вещества. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость среды. Сегнетоэлектрики.
Проводники в электрическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике. Электроемкость уединенного проводника. Взаимная емкость двух проводников. Конденсаторы. Энергия заряженных проводника, конденсатора и системы проводников. Энергия электростатического поля.
Постоянный электрический ток. Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Вывод закона Ома в дифференциальной форме из электронных представлений. Закон Ома в интегральной форме. Разность потенциалов, электродвижущая сила, напряжение. Затруднения классической теории электропроводности металлов. Границы применимости закона Ома. Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия. Ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Понятие о плазме.
|
|
|
Электромагнетизм. Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Ампера. Магнитное поле тока. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле кругового тока. Магнитный момент витка с током. Вихревой характер магнитного поля. Закон полного тока (циркуляция вектора магнитной индукции) для магнитного поля в вакууме и его применение к расчету магнитного поля тороида и длинного соленоида. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток. Теорема Остроградского – Гаусса. Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.
Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции. Явление самоиндукции. Индуктивность. Токи при замыкании и размыкании цепи. Энергия системы проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля.
Магнитное поле в веществе. Микро- и макротоки. Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков. Намагниченность. Магнитная восприимчивость вещества и ее зависимость от температуры. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Опыты Столетова. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри. Домены. Спиновая природа ферромагнетизма. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной форме.
|
|
|
Колебания и волны. Гармонические колебания (механические и электромагнитные) и их характеристики. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Пружинный, математический, физический маятники. Электрический колебательный контур. Энергия гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Апериодический процесс. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Амплитуда смещения и фаза вынужденных колебаний. Понятие о резонансе. Волновые процессы. Механизм образования механических волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Синусоидальные (гармонические) волны. Уравнение бегущей волны. Длина волны и волновое число. Волновое уравнение. Фазовая скорость и дисперсия волн. Энергия волны. Принцип суперпозиции волн и границы его применимости. Когерентность. Интерференция волн. Уравнение стоячей волны и его анализ. Электромагнитные волны. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Основные свойства электромагнитных волн. Монохроматическая волна. Энергия электромагнитных волн. Поток энергии. Вектор Умова – Пойтинга.
2 Методические указания к решению задач контрольных работ
1 За время изучения курса общей физики студент заочного отделения должен выполнить три контрольные работы.
2 Условия задач, которые необходимо проработать при предварительной подготовке к контрольной работе, студент может взять на кафедре «Физика» или на сайте университета.
3 Решения задач следует начинать с краткой записи условия с приведением его к СИ, а далее сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями; в тех случаях, когда это возможно, дать чертеж.
4 Решать задачу надо в общем виде, т. е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи.
|
|
|
5 После получения расчетной формулы для проверки ее правильности нужно подставить в правую часть формулы вместо символов величин обозначения единиц этих величин, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица соответствует искомой величине. Если такого соответствия нет, то это означает, что задача решена неверно.
6 Числовые значения величин при подстановке их в расчетную формулу следует выражать только в единицах СИ. В виде исключения допускается выражать в любых, но одинаковых единицах числовые значения однородных величин, стоящих в числителе и знаменателе дроби и имеющих одинаковые степени.
7 При подстановке в расчетную формулу, а также при записи ответа числовые значения величин нужно записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой и соответствующей степени десяти. Например, вместо 3520 надо записать 3,5 ∙2∙103, вместо 0,00129 записать 1,29 ∙10-3 и т. п.
8 Вычисления по расчетной формуле следует проводить с соблюдением правил приближенных вычислений [5]. Как правило, окончательный ответ следует записывать с тремя значащими цифрами. Это относится и к случаю, когда результат получен с применением калькулятора.
Задачи сгруппированы по темам. В начале каждой темы приведены простые задачи. Для решения таких задач достаточно использовать известные формулы, которые даны в теоретическом разделе.
Более сложные задачи можно решить, используя рассмотренные здесь примеры решений.
Учебные материалы по разделам курса физики
3.1 Электростатика.
Электрическое поле - это силовое поле, которое возникает вокруг любого заряженного тела и проявляется в действии на другие заряженные тела. В электростатике заряженная материальная точка называется точечным зарядом.
Закон Кулона определяет силу взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов. Значение силы Кулона определяется формулой
,
где F – сила взаимодействия точечных зарядов q 1 и q 2;
r – расстояние между зарядами;
ε – диэлектрическая проницаемость среды;
|
|
|
ε 0 – электрическая постоянная.
Если диэлектрическая проницаемость среды ε не указана, то она принимается равной единице.
Сила Кулона является центральной силой и соответствует притяжению (F <0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F >0) в случае одноименных зарядов.
Электрическое поле характеризуется напряженностью и потенциалом.
Формулы напряженности Е и потенциала φ электрического поля.
В общем случае напряженность Е и потенциал φ электрического поля определяются следующими формулами
, 
,
где F – сила, действующая на заряд q, который находится в электрическом поле;
П – потенциальная энергия положительного заряда q, который находится в данной точке поля (при условии, что потенциальная энергия заряда, удаленного в бесконечность, равна нулю).
Сила F, действующая на заряд и потенциальная энергия П заряда в некоторой точке поля, в которой напряженность и потенциал равны Е и φ соответственно, рассчитывают по следующими формулам:
, 
.
Напряженность Е и потенциал φ поля, создаваемые точечным зарядом, вычисляют по формулам:
,, 
,
где r – расстояние от заряда q до точки, в которой определяются напряженность и потенциал.
|
|
|
