Государственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию
Нижегородский государственный университет
им. Н.И.Лобачевского

 УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
о общему курсу

"ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ"
для направления подготовки
"физика"
и по специальности
"радиофизика и электроника"

Курс: 1
Семестр: 1, 2
Лекции: 75 час.
Практикум: 75 час.
Лаборатория: 74 час.
Зачет- 1, 2 семестр.
Экзамен- 1, 2 семестр.

Программа составлена зав. кафедрой общей физики, профессором, д.ф.-м.н. Н.С.Степановым и доцентами кафедры общей физики, к.ф.-м.н. М.И.Бакуновым и С.Б.Бираговым

Н.Новгород 1995

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
" ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ"

1. Учебные цели курса

Цель курса - сформировать у студентов представление об основных понятиях и законах классической и релятивистской механики, познакомить студентов с фундаментальными опытными фактами, лежащими в основе теории, дать навыки экспериментальной работы.

2. Учебные задачи курса

В процессе изучения курса студенты должны освоить и применять при решении задач:

• основные понятия кинематики;
• законы Ньютона;
• свойства основных видов сил, встречающихся в механике;
• основные теоремы и законы сохранения;
• элементы механики твердого тела.

Курс является основой для последующего изучения других разделов общей физики, а также таких разделов теоретической физики как "Специальная теория относительности" и "Теоретическая механика".

3. Дисциплины, изучение которых необходимо для усвоения курса

Для успешного изучения курса необходимо усвоение ряда разделов курса аналитической геометрии, а также таких разделов математического анализа, как дифференцирование, интегрирование, разложение функций в ряд Тейлора.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
" ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ"

Программа курса

I. ВВЕДЕНИЕ

Предмет современной физики. Методы физического исследования. Идеализация реальных объектов и взаимосвязей между ними. Принципиальная роль физического эксперимента.

[1] Введение [3] Введение [4] Гл. 1 1, 2 [5] Введение [6] Гл. 1

II. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

Характерные пространственно-временные масштабы. Границы применимости классической механики. Способы описания движения материальной точки. Системы отсчета. Скорость и ускорение. Тангенциальное и нормальное ускорения. Вращательное движение, угловая скорость и угловое ускорение.

[1] Гл. 1 [3] Гл. 2 5, 7-9 [4] Гл.2 7-11 [5] Гл. 1 [6] Гл. 2 2.1 [7] Гл. 5, гл. 8

III. ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

Законы Ньютона

I, II и III законы Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. II закон Ньютона как физический закон, понятия силы и инертной массы.

II закон Ньютона как дифференциальное уравнение движения. Роль начальных условий. Основные типы динамических задач. Движение материальной точки под действием постоянной силы. Движение под действием силы, пропорциональной скорости. Примеры "упругой" силы, гармонический осциллятор. Динамика вращательного движения материальной точки.

[1] Гл. 2 9-14, гл. 6 39-40 [3] Гл. 5 19, 20 [4] Гл. 3 16-18, 23, 25, 27 [5] Гл. 2 6-12, 17 [6] Гл. 3 3.1-3.5, гл. 7 7.1, 7.2 [7] Гл. 9, гл. 10 1, гл. 12 1

Уравнение моментов для материальной точки. Закон сохранения момента импульса в центральном силовом поле. Механическая работа и мощность. Консервативные силы. Потенциальная энергия материальной точки. Теорема о кинетической энергии. Механическая энергия, теорема об изменении механической энергии. Закон сохранения механической энергии материальной точки в поле консервативных сил.

[1] Гл. 5 33-37, гл. 7 [3] Гл. 11, гл. 12 56 [4] Гл. 13 [6] Гл. 8 [7] Гл. 5, 18, 19, 20

Потенциальная энергия и устойчивость состояния равновесия материальной точки. Одномерное движение материальной точки в потенциальном поле, финитные и инфинитные движения. Движение в центрально-симметричном поле. Кеплерова задача.

[1] Гл. 4 22, 24, 25, 29, гл. 5 30-32 [3] Гл. 5 22, гл. 6 24, 27, гл. 7 3

[4] Гл. 4 28-30, гл. 10 67-69, гл. 11 75 [5] Гл. 3 18-26, 29, 30

[6] Гл. 5, 6, 9 [7] Гл. 4, гл. 13, гл. 14

IV. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИЛ

Электромагнитные силы

Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Понятие потенциала. Вычисление полей по принципу суперпозиции. Поле электрического диполя.

[2] Гл. 1 1-4 [3] Гл. 8 34 [4] Гл. 3 19

Магнитное поле

Вектор индукции магнитного поля, сила Лоренца. Действие магнитного поля на проводник с током, сила Ампера. Момент сил, действующих на рамку с током.

[2] Гл. 3 49,52 [3] Гл. 8 34 [4] Гл. 3 19

Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях Движение частицы в однородном магнитном поле. Дрейфовое движение в скрещенных электрическом и магнитном полях. Продольный дрейф в слабонеоднородном магнитном поле, магнитные ловушки. Ускорители заряженных частиц. Эффект Холла. Принцип действия МГД-генераторов.

[2] Гл. 5 86, 87, 89, 90 [3] Гл. 8 35-38, 41 [4] Гл. 3 23, гл. 8 [6] Гл. 4

Взаимодействие диполей. Природа и особенности молекулярных сил.

[7] Гл. 12 3

Деформации тел и упругие силы

Деформации растяжения и сдвига. Закон Гука. Упругие константы вещества. Сложные деформации (изгиб, кручение). Отклонения от закона Гука при больших деформациях (нелинейность, пластичность). Электромагнитная природа упругих сил, понятие о дислокациях.

[1] Гл. 10 73-80 [4] Гл. 5, гл. 14 105-111 [5] Гл. 2 14, гл. 13 113

Силы трения

Сухое трение. Закон Амонтона-Кулона.Трение скольжения. Работа сил трения. Вязкое трение, формула Ньютона. Ламинарное течение вязкой жидкости в трубе, формула Пуазейля. Силы, действующие на тела, движущиеся в вязкой среде. Закон Стокса. Аэродинамические силы. Анализ аэродинамических сил методом подобия и размерностей, число Рейнольдса. Понятие о сверхтекучести.

[1] Гл. 2 17, гл. 11 [3] Гл. 12 53-55 [4] Гл. 7, гл. 16 125

[5] Гл. 2 15, гл. 9 75-78 [7] Гл. 12 2

Вывод закона тяготения из законов Кеплера для планет. Эквивалентность гравитационной и инертной масс. Гравитационное поле, гравитационный потенциал. Движение материальной точки в поле тяготения. I, II, III космические скорости. Вес и невесомость тел. [1] Гл. 8 55 [3] Гл. 7 30 [4] Гл. 6, 11 [5] Гл.2 16, гл. 6 [6] Гл. 3 3,9

[7] Гл. 7

Неинерциальные системы отсчета

Система отсчета, ускоренно движущаяся относительно инерциальной. Силы инерции. Вращающаяся система отсчета. Теорема Кориолиса. Центробежная и кориолисова силы. Земля как неинерциальная система отсчета. Маятник Фуко. Аналогия между силами инерции и тяготения.

[1] Гл. 2 15, гл. 9 [3] Гл. 14 63-66 [4] Гл. 12 [5] Гл.4

[6] Гл. 3 3,8, дополнение

V. ВВЕДЕНИЕ В РЕЛЯТИВИСТСКУЮ МЕХАНИКУ

Кинематика специальной теории относительности

Опыты Физо и Майкельсона. Преобразования Лоренца (с выводом) и некоторые следствия из них (относительность понятия времени, лоренцово сокращение длины, замедление хода движущихся часов). Понятие интервала. Релятивистский закон сложения скоростей.

[3] Гл. 3, гл. 4 [4] Гл. 9 57-64 [5] Гл. 8 62-67 [6] Гл. 10, гл. 11

[7] Гл. 15 1-7, гл. 16 1-3, гл. 17

Релятивистская масса. Связь релятивистской массы с энергией, а также энергии с импульсом. Фотон как частица с нулевой массой покоя. Давление света. Искривление световых лучей и смещение частоты квантов в поле тяготения.

[3] Гл. 5 20, 21, гл. 10 47 [4] Гл. 9 65, 66 [5] Гл. 8 68-71 [6] Гл. 12

[7] Гл. 15 8,9, гл. 16 4,5

VI. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕМЫ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТОЧЕК

Импульс системы материальных точек

Теорема об изменении импульса системы материальных точек. Теорема о движении центра масс. Динамика материальной точки с переменной массой, уравнение Мещерского. Реактивная сила. Задача Циолковского, ракеты.

[1] Гл. 2 10,12, гл.3 [3] Гл.5 23, гл.6 25, гл. 10 [4] Гл.3 26, гл. 16 124 [6] Гл.6 6.1 [5] Гл.3 27 [7] Гл. 10

Момент импульса систем материальных точек

Уравнение моментов для системы материальных точек. Закон сохра- нения момента импульса. Уравнение моментов относительно оси.

[1] Гл.5 30-32 [3] Гл.6 26 [4] Гл.10 70 [5] Гл.3 29 [6] Гл.6

Энергетические соотношения для системы материальных точек

Обобщение понятий кинетической и потенциальной энергий для системы материальных точек. Механическая энергия системы материальных точек и условия ее сохранения. Понятие о внутренней энергии. Связь законов сохранения импульса, момента импульса и энергии системы материальных точек со свойствами симметрии пространства и времени.

[1] Гл. 4, гл.5 38 [3] Гл. 6 28 [4] Гл. 4 31 [6] Гл. 5,9 9.3

[5] Гл. 3 23,24, [7] гл. 13 3, гл. 14 5, гл. 52

Явление удара (столкновение частиц). Абсолютно неупругий и абсолютно упругий удары двух частиц. Закон Бернулли для стационарного потока идеальной жидкости. Рассеяние фотонов на электронах, эффект Комптона.

[1] Гл. 4 26, 28, гл. 12 94, 95 [3] Гл. 9 [4] Гл. 4 32-34, гл. 16 123

[5] Гл. 3 26, 28, гл. 9

VII. ДИНАМИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Кинематические и динамические характеристики твердого тела. Применение уравнения движения центра масс и уравнения моментов для твердого тела. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции. Теорема Гюйгенса-Штейнера. Связь между моментом импульса и угловой скоростью твердого тела в общем случае, тензор инерции. Свободные оси. Кинетическая энергия и работа при вращении вокруг неподвижной оси. Плоское движение твердого тела, понятие мгновенной оси вращения. Качение тел, трение качения. Кинетическая энергия при плоском движении. Приближенная теория гироскопа. Прецессионное движение гироскопа. Гироскопические силы.

[1] Гл. 5 33-37, гл. 7 [3] Гл. 11,12 56 [4] Гл. 13 [5] Гл. 5 [6] Гл.8 [7] Гл. 18, 19, 20

ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ

Основная литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т. 1. Механика. М.: Наука, 1989.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т. 3. Электричество. М.: Наука, 1977, 1983.
3. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М.: Высшая школа, 1976.

Дополнительная литература

4. Хайкин С.Э. Физические основы механики. М.: Наука, 1971.
5. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 1. Механика. Молекулярная физика. М.: Наука, 1987.
6. Берклеевский курс физики, т. 1. Ч.Киттель, У.Найт, М.Рудерман. Механика. М.: Наука, 1975.
7. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.. Фейнмановские лекции по физике. Современная наука о природе. Законы механики. Пространство, время, движение. Т. 1, 2. М.: Мир, 1967, 1977.

РАБОЧИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ

I. ВВЕДЕНИЕ 1 час

II. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ 3 часа

III. ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

1. Законы Ньютона 3 часа
2. Некоторые теоремы и интегралы движения для материальной точки 4 часа
3. Примеры применения законов сохранения для материальной точки 3 часа

IV. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИЛ

1.Электромагнитные силы

Электрическое поле 2 часа

Магнитное поле 3 часа

Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях 4 часа

Молекулярные силы 2 часа

Деформация тел и упругие силы 2 часа

Силы трения 4 часа

2.Тяготение и силы инерции

Силы тяготения 4 часа

Неинерциальные системы отсчета 4 часа

V. ВВЕДЕНИЕ В РЕЛЯТИВИСТСКУЮ МЕХАНИКУ

1. Кинематика специальной теории относительности 7 часов

2. Релятивистская динамика 4 часа

VI. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕМЫ ДИНАМИКИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТОЧЕК

1. Импульс системы материальных точек 4 часа

2. Момент импульса систем материальных точек 2 часа

3. Энергетические соотношения для системы материальных точек 3 часа

4. Примеры применения законов сохранения для системы материальных точек 2 часа

VII. ДИНАМИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА 10 часов

ТЕМЫ И ПЛАН ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

1. Прямолинейное движение 2 часа
2. Криволинейное движение 2 часа
3. Вращательное движение. Преобразования Галилея 2 часа
4. Контрольная работа 2 часа

ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

5. Движение под действием постоянной силы 2 часа
6. Простейшие системы тел. Кинематические связи 2 часа
7. Движение под действием силы, зависящей от времени 2 часа
8. Движение под действием силы, зависящей от скорости 2 часа
9. Движение под действием квазиупругой силы 2 часа
10. Динамика вращательного движения 2 часа
11. Контрольная работа 2 часа

ТЕОРЕМЫ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ДЛЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

12. Работа и энергия 4 часа
13. Момент импульса 2 часа
14. Контрольная работа 2 часа

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИЛ

15. Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях 4 часа
16. Силы сухого трения 2 часа
17. Упругие силы и деформации 2 часа
18. Неинерциальные системы отсчета 4 часа
19. Контрольная работа 2 часа

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

20. Релятивистская кинематика 4 часа
21. Релятивистская динамика 2 часа

ДИНАМИКА СИСТЕМЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТОЧЕК

22. Закон сохранения импульса 2 часа
23. Центр масс. Изменение импульса 4 часа
24. Динамика тел переменной массы. Работа 2 часа
25. Работа и энергия 2 часа
26. Удары 2 часа
27. Удары. Закон сохранения момента импульса 4 часа
28. Уравнение Бернулли 2 часа

ДИНАМИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

29. Момент инерции. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси 2 часа
30. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси 4 часа
31. Плоское движение твердого тела 5 часов
32. Удары. Законы сохранения в применении к твердому телу 3 часа
33. Гироскопы 2 часа

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

1. Определение ускорения свободного падения.
2. Изучение законов колебательного движения.
3. Осциллограф.
4. Изучение законов движения при помощи машины Атвуда.
5. Определение коэффициента внутреннего трения (вязкости) жидкости.
6. Обнаружение дискретности электрических зарядов методом Милликена.
7. Определение отношения заряда электрона к его массе.
8. Маятник Обербека.
9. Определение момента инерции махового колеса.
10. Эллипсоид инерции.
11. Магнитный волчок.
12. Гироскоп.
13. Некоторые законы случайных событий.

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

1. Скорость и ускорение. Тангенциальное и нормальное ускорения.
2. I, II и III законы Ньютона.
3. Теорема об изменении момента импульса материальной точки. Закон сохранения момента импульса.
4. Работа силы. Мощность.
5. Потенциальная энергия материальной точки в силовом поле.
6. Теорема об изменении кинетической энергии материальной точки.
7. Теорема об изменении механической энергии материальной точки. Закон сохранения механической энергии.
8. Закон Кулона.
9. Сила Лоренца и сила Ампера.
10. Силы сухого трения. Законы Амонтона и Кулона.
11. Силы вязкого (внутреннего) трения.
12. Закон Гука в дифференциальной форме.
13. Закон всемирного тяготения.
14. Переносная, центробежная и кориолисова силы инерции.
15. Преобразования Лоренца.
16. Интервал.
17. Релятивистский закон сложения скоростей.
18. Теорема об изменении импульса системы материальных точек. Центр масс.
19. Теорема об изменении момента импульса системы материальных точек.
20. Механическая энергия системы материальных точек, условия ее сохранения.
21. Уравнение вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси.
22. Момент инерции. Теорема Гюйгенса-Штейнера.
23. Уравнения плоского движения твердого тела.
24. Прецессия гироскопа.

АВТОРЫ: профессор Н.С.Степанов,
доцент М.И.Бакунов,
доцент С.Б.Бирагов

ЗАВ. КАФЕДРОЙ: профессор Н.С.Степанов
ПРЕДСЕДАТЕЛЬ МЕТОДКОМИССИИ: профессор В.Г.Гавриленко