Документ 139093
реклама
Министерство образования Иркутской области Областное государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Тулунский аграрный техникум» Справочное пособие «Основы физики» Специальности: 270802 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений 110810 Электрификация и автоматизация сельского хозяйства 110809 Механизация сельского хозяйства 190631 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта 230115 Программирование в компьютерных системах 080110 Банковское дело 080114 Экономика и бухгалтерский учет (по отраслям) Тулун,2014 г. Рассмотрено и одобрено на заседании предметно-цикловой комиссии общеобразовательных дисциплин Протокол № _____ от «_____»_____________ 2014г Председатель ПЦК ____________/Л.В. Калинина/ Утверждено на заседании методического совета ОГБОУ СПО «Тулунский аграрный техникум» Протокол № _____ от «_____»_____________ 2014г Председатель МС ______________/А.А. Арциховская/ Организация-разработчик: ОГБОУ СПО «Тулунский аграрный техникум» Разработчик: Черепахина В.В.преподаватель ОГБОУ СПО «Тулунский аграрный техникум» 2 Пояснительная записка. Справочник «Основы физики» представляет собой миниатюрное справочное пособие по общей физике, основное назначение которого, помочь быстро найти или восстановить в памяти необходимые законы и формулы. Справочное пособие содержит основные формулы курса общей физики с названием всех физических величин, входящих в них, и указанием их единиц измерений в СИ, приведены основные и производные единицы СИ. В конце справочника дана дополнительная литература. Для начала эти книги следует пролистать, чтобы составить о них представление и пользоваться при необходимости. В приложении указаны физические свойства некоторых веществ, необходимые при решении задач. Справочник предназначен для студентов СПО для подготовки к контрольным работам, зачетам и экзаменам, использования при выполнении практических и лабораторных работ. 3 Содержание: 1. Множители и приставки СИ для образования десятичных кратных и дольных единиц 2. Основные и дополнительные единицы Международной системы (СИ) 3. Постоянные физические величины (Константы) 5 4. Основные формулы курса общей физики 8 5. Кинематика 8 6. Динамика 9 6 7 7. Динамика и статика вращательного движения. 10 8. Законы сохранения. 11 9. Молекулярная физика 11 10.Термодинамика 13 11.Гидростатика, гидродинамика. 13 12.Электрические и электромагнитные явления. 14 13.Колебания и волны. 16 14.Оптика. 18 15.Квантовая и атомная физика. 18 16.Приложения 19 17.Дополнительная литература 22 4 Множители и приставки СИ для образования десятичных кратных и дольных единиц Наименование Обозначение приставки приставки Множители Наименование множителя экса Э 1000000000000000000 = 1018 квинтиллион пета П 1000000000000000 = 1015 квадриллион тера Т 1000000000000 = 1012 триллион гига Г 1000000000 = 109 миллиард мега М 1000000 = 106 миллион кило к 1000 = 103 тысяча гекто г 100 = 102 сто дека да 10 = 101 десять деци д 0,1 = 10-1 одна десятая санти с 0,01 = 10-2 одна сотая милли м 0,001 = 10-3 одна тысячная микро мк 0,000001 = 10-6 одна миллионная нано н 0,000000001= 10-9 одна миллиардная пико п 0,000000000001 = 10-12 одна триллионная фемто ф 0,000000000000001 = 10-15 одна квадриллионная атто а 0,000000000000000001 = 10-18 одна квинтиллионная 5 Основные и дополнительные единицы Международной системы (СИ) Основные единицы метр — килограмм — секунда — ампер — кельвин — моль — кандела — Дополнительные единицы радиан — стерадиан — единица длины единица массы единица времени единица силы электрического тока единица термодинамической температуры единица количества вещества единица силы света единица плоского угла единица силы света Определения основных и дополнительных единиц СИ Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды. Килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Секунда равна 1/86400 части средних солнечных суток. (Приведено упрощенное определение секунды, которое разрешено применять в средней школе. Строгое определение секунды звучит так: «Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133»). Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 • 107Н. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 • 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. 6 Постоянные физические величины (Константы) Физическая постоянная ОбозначеЗначение постоянной ние Скорость распространения электромагнитных волн (скорость света) в вакууме (в свободном пространстве) с 299 792 458 м/с Элементарный заряд (заряд электрона) е 1,602 19 х 10-19 Кл Масса покоя электрона me 9,109 53 х 10-31 кг Масса покоя нейтрона mn 1,674 95 х 10-27 кг Масса покоя протона mp 1,672 65 х 10-27 кг Постоянная Больцмана к 1,381 х 10-23 Дж/К Газовая постоянная (молярная) R 8,314 Дж/(моль К) Гравитационная постоянная G 6,672 х 10-11 Нм2/кг Постоянная Планка h 6,626 х 10-34 Дж с Постоянная Фарадея F 9 648 4,56 Кл/моль Молярный объем идеального газа при нормальных условиях (t=0oC, p=101,325 кПа) Vm 2,241 х 10-2 м3/моль Постоянная Авогадро NA 6,022 х 1023 моль-1 Абсолютный нуль температуры To 0 К = -273,15 оС 0 оС=273,15 К Температура замерзания воды (плавления льда) Электрон-вольт Нормальное атмосферное давление eV Pатм н 1,602 х 10-19 Дж 101 325 Па Скорость звука в воздухе при нормальных условиях с 331,5 м/с Ускорение свободного падения (нормальное) gn 9,806 65 м/с2 Радиус первой электронной орбиты в атоме водорода ao 5,29 х 10-11 м Плотность ртути при нормальных условиях (t=0 oC, p=101,325 кПа) ϱHg 13 595 кг/м3 Плотность воздуха при нормальных условиях (t=0 oC, p=101,325 кПа) ϱвозд 1,293 кг/м3 7 Основные формулы физики Кинематика. Обозначение. S v t x a ω Ед. измерения. м м/с с м м/с2 -1 с с Гц T ε -2 с м R Смысл пройденный путь скорость время координата ускорение угловая скорость период частота угловое ускорение радиус Скорость и ускорение. dS v dt , dr v dt , dv a dt Равномерное движение: v const S vt , x x 0 vt ; Равнопеременное движение: v v0 a t , 2 2 v v0 S 2a ; a=const, at 2 S v0t 2 , x x0 v0t v 2 v 02 a 2S ; 2 v=v0+at , v v 0 2aS ; at 2 2 ; Криволинейное движение. v v e 2 v a a e en R , a a an Вращательное движение. d dt , v 2 R, T ; 2 R v v * r , T ; v2 a ц aц * r , aц v , R , d dt ; N t ; 1 T , aц 4 2 R T2 ; 8 Динамика и статика. Обозначение. Ед. измерения F Н P кг*м/с 2 a м/с кг м/с Н m v p g масса скорость вес тела ускорение свободного падения 2 м/с Дж Дж Вт с E A N t I Смысл сила импульс ускорение 2 L кг*м кг*м2/с M ω Н*м с-1 энергия работа мощность время момент инерции момент импульса момент силы угловая скорость Первый закон Ньютона: при F 0 v const. Второй закон Ньютона. dm F ma v dt , при m=const F ma dP F dt , Третий закон Ньютона. F12 F21 Закон всемирного тяготения. m1 m2 R2 , m g G планеты Rпланеты FG v mпл G - ускорение свободного падения на планете. - первая космическая скорость. Вес тела. p=mg - вес тела в покое. p=m(g+a) - опора движется с ускорением вверх. p=m(g-a) - опора движется с ускорением вниз. p=m(g-v2/r) - движение по выпуклой траектории. p=m(g+v2/r) - движение по вогнутой траектории. 9 Сила трения. F N, Закон Гука. Fупр=–kx, - сила упругости деформированной пружины. F s - механическое напряжение l / l0 - относительное продольное удлинение (сжатие) ' = d / d 0 - относительное поперечное удлинение (сжатие) ' , где - коэффициент Пуассона. Закон Гука: E , где Е- модуль Юнга. Esl F l0 Wкин E 2 V 2 , кинетическая энергия упругорастянутого (сжатого) стержня. (V- объем тела) Динамика и статика вращательного движения. L I - момент импульса dL M dt ; dI M I dt - момент силы L=const - закон сохранения момента импульса. M=Fl, где l- плечо I=I0+mb2 - теорема Штейнера система ось точка по окружности ось симметрии стержень через середину стержень через конец шар сфера кольцо или тонкостенный цилиндр диск сплошной цилиндр Условие равновесия тел I mR2 1/ 12 mR2 1/ mR2 3 через центр шара 2/ mR2 5 2/ mR2 через центр 3 сферы ось симметрии mR2 ось симметрии M 0 1/ mR2 2 10 Законы сохранения. Закон сохранения импульса. P=mv; - импульс тела. F 0 Ft=P Потенциальная и кинетическая энергия. Мощность. - работа силы F A F S A=E N Eкин Eкин dA dt - мощность mv 2 - кинетическая энергия 2 2 mv I 2 - кинетическая энергия вращательного движения. 2 2 Ep=mgh Ep kx 2 - потенциальная энергия поднятого над землей тела. 2 - потенциальная энергия пружины Закон сохранения энергии. Eк1+Eр1=Eк2+Eр2 Молекулярная физика. Свойства газов и жидкостей. Обозначение. Ед. измерения. Смысл p Па давление V объем м3 К – кг кг/Моль Моль Дж Дж – T N m U Q температура число молекул масса молярная масса кол-во вещества вн. энергия газа кол-во теплоты КПД Уравнение состояния. pV=NkT - уравнение состояния (уравнение Менделеева- Клайперона) N NА, m , N m m0 ; 11 U i Nkt , 2 i pV 2 - полная внутренняя энергия системы. i2 Число i i атомов U 1 2 3 3 5/3 7 9/7 13 15/13 (7/6) (12) - основное уравнение молекулярно- кинетической теории. p 13 m0 nv 2 p pi - закон Дальтона для давления смеси газов. N n V , p=nkT ; pV const при N=const T T=cons изотерма PV=con t st p=cons изобара V/T=con t st V=con изохора p/T=con st st закон Бойля-Мариотта закон Гей-Люсака закон Шарля Броуновское движение. v2 3kT m0 среднеквадратичная скорость молекул. v 2kT / m0 - наиболее вероятная скорость молекул. 8 kT v m0 - средняя арифметическая скорость молекул. m0 f ( v ) 4 2 kT 3/ 2 2 v e m0 v 2 2 kT - Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям. 2 Среднее число соударений молекулы за 1с: z 2 d n v Средняя длинна свободного пробега молекул r vt n 2 d 2 l 1 2 d 2 n - средний путь молекулы за время t. Распределение в потенциальном поле. ph p0 e nh n0 e mgh kT mgh kT - барометрическая формула. - распределение Больцмана. 12 Термодинамика. U Q A - первое начало термодинамики. A pV - работа газа. d d N N - уравнение адиабаты. k k 2 2 2 1 1 1 Теплоемкость C dQ dT , удельная теплоемкость с=С/m. Название Изохора Определение. V=const Уравнение A Q=U 0 Изобара p=const U=Q+pV pV Изотерма T=const Q=A NkT ln V12 V p1V1 ln Адиабата Q=const U=-A 1 1 Q NkT/( -1) pV/( -1) A C Nk/( -1) Nk/( -1) 0 0 p1 p2 p1V1 1 V1 1 V2 Тепловой баланс. Qотд=Qполуч Q=cmT - теплота на нагрев (охлаждение) Q=rm - Теплота парообразования (конденсации) Q=m - плавление (кристаллизация) Q=qm - сгорание. Тепловое расширение. l=l0(1+T) V=V0(1+T) Тепловые машины. A Q Q1 Q2 Q1 , - коэффициент полезного действия max T1 T2 T1 Гидростатика, гидродинамика. Обозначение. Ед. измерения. p Па V м3 m σ v S кг Н/м м/с ρ кг/м3 м 2 м h p Fдавл S , p gh Смысл давление объем масса коэффициент поверхностного натяжения скорость жидкости площадь плотность высота столба жидкости. (давление на глубине h). 13 m V - плотность. FA g жидVтела ( сила Архимеда ). F1 F2 S1 S 2 - (гидравлический пресс). h const - закон сообщающихся сосудов. Sv const - уравнение неразрывности. v 2 gh p const - уравнение Бернулли 2 2 v ( 2 - динамическое, р - статическое, gh - гидростатическое давление.) Fп.н. l 2 h gr E п.н. S - сила и энергия поверхностного натяжения. - высота подъема жидкости в капилляре. Электрические и электромагнитные явления. Электростатика. FK q1 q2 1 4 0 r2 F q, E E - закон Кулона. q 1 2 4 0 r - напряженность электрического поля E Ei - принцип суперпозиции полей. Ф ES - поток через площадку S. W q - потенциал. плоскость 2 0 x 2 0 R , при r < R 0 R , при r R 0r сфера , при r < R 0 2 R r 2 , при r R 0 шар r 3 , при r < R 0 3 R , при r R 2 3r 0 (3R 2 r 2 ) , при r < R 6 0 3 R , при r R 3r 0 цилиндр (пустой) , при r < R 0 2 r , при r R 0 14 A q(1 2 ) U A q U 1 2 , , q C - электроемкость U Ed уединенного проводника. qU CU 2 q 2 0 S q C W C d , 2 2 2C плоский конденсатор. U, C 4 0 r - электроемкость заряженного шара. rr C 4 0 1 2 r2 r1 - электроемкость сферического конденсатора. 1 1 Сп о с л е д Сi Спа р ал Сi - батарея конденсаторов. p=qd - дипольный момент. E E в а к - диэлектрическая проницаемость. Электродинамика. Постоянный ток. I q t , I qnSv , I qnv S E j E j U I Rr, Закон Ома. R, l R R R0 (1 T ) - температурное изменение температуры. S; A ст I к .з . q , Aст It , r I Q A IUt I 2 Rt dA U2 P IU I 2 R dt R U2 t R - закон Джоуля–Ленца. E 2 E2 jE I 0 - правило Кирхгофа для узлов. I R - правило Кирхгофа для контуров. i i i k Параллельное соединение проводников: I=const, U U i , R Ri Последовательное соединение: I Ii , U=const, Законы электролиза. m=kq=kT - первый закон Фарадея. k neN A 1 1 R Ri - второй закон Фарадея. 15 Электромагнетизм. Fлор q v * B , Fл Bqv - сила Лоренца. FА BIl - сила Ампера, действующая на проводник длиной l. v*E B c2 , 0 q v * r B 4 r3 I B 0 (cos 1 cos 2 ) магнитная индукция поля в точке. 2b 0 I B 2 R - магнитная индукция в центре витка. N B 0 I l - индукция внутри соленоида. 0 2 I B 4 R индукция поля проводника на расстоянии R от оси. B 0 H связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля. B Bi - принцип суперпозиции магнитных полей. Ф BdS магнитный поток. LI 2 Wм.п. 2 - энергия магнитного поля. Ф L I dФ i ЭДС индукции в замкнутом dt dI is L dt ЭДС самоиндукции. контуре. Колебания и волны. Оптика. Акустика. Механические и электромагнитные колебания. x A cos( 0 t ) - уравнение гармонических колебаний. E 12 mA2 20 - полная энергия колеблющейся точки. 2 T Система. Период Цикл. частота Уравнение 16 Математический маятник. T 2 l g g l g 0 l Пружинный маятник. T 2 m g g m x k x0 m Физический маятник. T 2 I mgb mgb 0 I Колебательный контур. T 2 LC mgb I 1 q 1 q0 LC T LC 2 - период пульсации. Затухающие колебания. 0 2 2 i 0 , x x me t e 0t t q q0 e e t R2 1 4 L LC Переменный ток. Im Z Z=ZR+ZL+ZC - полный импеданс (сопротивление) цепи. ZL=iL, ZR=R, Z ZC 1 R L LC 1 i C 2 2 I действ Im 2, - модуль полного импеданса цепи. U действ Um 2 - действующие значения. Упругие волны. Скорость волны в газе: vT , v sin 𝛼 =𝑛 sin 𝛾 Интерференция: v v v v п р ием исто kT с m0 , в твердом теле: E пад отр Отражение Преломление с 0 max 2 m 2, min ( 2 m 1) 2 - эффект Доплера. 17 Оптика n1 x1 n2 x 2 - разность хода. c v= n - скорость света в среде sin пад n2 sin отр n1 - закон преломления. 1 1 1 Д f d F - формула линзы. h f K H d - увеличение линзы. Квантовая физика и теория относительности. E h - энергия фотона. h- постоянная Планка mv 2 h Aвых - фотоэффект 2 2 mv E m0 c 2 2 - полная энергия. 2 m m0 / 1 vc2 2 t ' t / 1 vc2 2 l l0 1 vc 2 S 2 c 2 t 2 l 2 inv Атомная физика. rn 4 0 2 n 2 n2 a 0 mZe 2 Z N N0 2 t T - закон распада 18 Приложения: Температура кипения веществ (при нормальном атмосферном давлении) Вещество tкип оС Вещество tкип оС Алюминий 2467 Гелий -268,92 Бензин автомобильный 70 - 205 Глицерин 290 Вода 100,00 Графит 4200 Водный раствор соли (насыщенный) 108,8 Железо 3200 Ртуть 356,66 Золото 2947 Спирт 78,3 Хлор -34,1 Нафталин 217,9 Медь 2540 Никель 2900 Свинец 1745 Олово 2620 Серебро 2170 Температура плавления (при нормальном атмосферном давлении) Вещество tпл oC Вещество tпл oC Азот -210,0 Молоко цельное - 0,6 Алмаз > 3500 Масло сливочное 28-33 Вода 0,00 Нефть - 60 Бензин ниже -60 Соль поваренная 770 Водород -259,1 Керосин ниже -50 Воздух -213 Спирт - 114,2 Воск пчелиный 61-64 Кислород -218,4 Йод 113,5 Хлор - 101,0 Алюминий 660,4 Серебро 961,9 Вольфрам 3420 Медь 1084,5 Германий 937 Сталь 1300-1500 Железо 1539 Никель 1455 Золото 1064,4 Нихром 1400 Ртуть -38,9 Олово 231,9 Цезий 28,4 Свинец 327,4 Калий 63,6 Платина 1772 Кремний 1415 Цинк 419,5 Латунь 1000 Чугун 1100-1300 Таблица модуль Юнга Материал E Материал ГПа Алюминий 70 Стали легированные Бетон 3000 Стали углеродистые Древесина (вдоль волокон) 10-12 Стекло Древесина (поперек волокон) 0,5-1,0 Стекло органическое Железо 200 Титан Золото 79 Хром E ГПа 210-220 200-210 56 2,9 112 240-250 19 Магний Медь Свинец 44 110 17 Цинк Чугун серый 80 115-150 Диэлектрическая проницаемость веществ Вещество Газы и водяной пар Азот Водород Воздух Вакуум Водянной пар (при t=100 oC) Гелий Кислород Углекислый газ Твердые тела Алмаз Бумага парафинированная Дерево сухое Лед (при t = -10 oC) Резина Стекло Фарфор Янтарь ԑ 1,0058 1,00026 1,00057 1,00000 1,006 1,00007 1,00055 1,00099 Вещество Жидкости Бензин Вода Масло трансформаторное Спирт Эфир ԑ 1,9-2,0 81 2,2 26 4,3 5,7 2,2 2,2-3,7 70 3,0-6,0 6,0-10,0 4,4-6,8 2,8 Удельное электрическое сопротивление материалов Проводник Алюминий Вольфрам Графит Дуралюмин Железо Золото Латунь Магний Медь мкОм м 0,028 0,055 13 0,033 0,10 0,024 0,07-0,08 0,045 0,017 Проводник Никель Олово Платина Ртуть Свинец Серебро Сталь Цинк Чугун мкОм м 0,073 0,12 0,10 0,96 0,21 0,016 0,10-0,14 0,061 0,5-0,8 20 Показатель преломления. Вещество Показатель преломления Показатель преломления газов Азот Водород Водянной пар Воздух Кислород 1,000298 1,000132 1,000255 1,000292 1,000271 Показатель преломления жидкости Ацетон 1,36 Бензин 1,38-1,41 Вода 1,33 Эфир 1,35 Молоко 1,35-1,36 Спирт 1,33 метиловый Вещество Показатель преломления Показатель преломления веществ Альмаз Железо* Золото Каменная соль Лед (интервале температур от 0 до -4 оС) Медь 2,42 1,63 0,37 1,54 1,31 Натрий* Рубин Сахар Серебро* Стекло** Янтарь 0,005 1,76 1,56 0,18 1,5-1,9 1,55 2,06 Примечание. Значения показателей преломления для жидких и твердых тел указаны при температуре 20 oС, а для газов и водяного пара - при нормальных условиях (t=0 oС, p=101325 Па). Работа выхода электрона Вещество Барий Золото Вольфрам Германий Кальций Молибден Работа выхода электрона -19 10 эВ 3,8 2,4 6,9 4,3 7,2 4,5 7,7 4,8 4,5 2,8 6,9 4,3 Вещество Платина Рубидий Серебро Торий Цезий Никель Работа выхода электрона -19 10 эВ 8,5 5,3 3,5 2,2 6,9 4,3 5,4 3,4 2,9 1,8 7,2 4,5 Красная граница фотоэффекта, нм Барий Вольфрам Калий Литий Медь Ртуть 484 272 550 500 270 260 Рубидий Серебро Сурьма Сурьмяно-цезиевый катод Цезий Цинк 573 260 310 670 620 290 21 Дополнительная литература: 1. Справочник по физике для студентов и абитуриентов. Трофимова Т.И., М.: Астрель: АСТ, 2001. - 399с. 2. Физический энциклопедический словарь. Прохоров А. М., М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944с 22