Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Работа с рекомендованной литературойСтр 1 из 2Следующая ⇒
Учебно-методическое пособие по организации самостоятельной работы по дисциплине «Физика»
Краснодар – 2015
Составители: профессор, доктор технических наук Н.Н. Курзин доцент, кандидат технических наук А.В. Савенко ассистент, кандидат технических наук А.В. Емелин
Рецензент профессор кафедры электрических машин и электропривода д.т.н., профессор Оськин С.В.
Методическая разработка рассмотрена и представлена кафедрой физики КубГАУ Протокол №1 от «07» сентября 2015г.
Рекомендовано к использованию в учебном процессе методической комиссией инженерно – строительного факультета Протокол №2 от «22» октября 2015г. В учебно-методическом пособии приводятся методические рекомендации по решению задач по физике, рассмотрены примеры решения задач, а также задания для контрольных работ по дисциплине «Физика». Издание предназначено для студентов – бакалавров направления подготовки 08.03.01 «Строительство (Промышленное и гражданское строительство)» заочной формы обучения при изучении дисциплины «Физика» СОДЕРЖАНИЕ
Введение Особенность учебного процесса в высшей школе заключается в том, что изучение учебной дисциплины, в данном случае физики, ведется не только в форме аудиторных занятий (лекции, практические занятия, лабораторные занятия), но и в форме самостоятельной работы (рисунок 1). Это способствует формированию прочных и систематизированных знаний, приучает к самостоятельному и творческому мышлению, способствует становлению высокообразованного специалиста - профессионала. Целью дисциплины физика, является формирование у студентов целостной естественно-научной картины мира и ее развития по общим фундаментальным законам. Преподавание дисциплины ведется согласно разработанному учебно-методическому комплексу, для студентов - заочников инженерно - строительного факультета. В данном руководстве даны общие методические указания по самостоятельной работе с материалами лекционных, практических и лабораторных занятий. Приведены задания к контрольным работам и методические рекомендации по их выполнению.
1. Планирование самостоятельной работы Самостоятельная работа студентов включает в себя: - проработку лекционного материала перед практическими и лабораторными занятиями, а также изучение рекомендованной литературы; - подготовку к лабораторным занятиям: изучение теории по теме лабораторной работы, устройства лабораторной установки или стенда, порядка выполнения работы, оформление отчета по выполненной лабораторной работе; - подготовку к практическим занятиям: изучение теоретических вопросов, законов и формул по теме практического занятия по решению задач; - самостоятельное изучение разделов, тем и отдельных вопросов рабочей программы дисциплины; - выполнение контрольных работ; - подготовку к зачетам или экзаменам по дисциплине. Для выполнения самостоятельной работы каждому студенту необходимо составить план (расписание) самостоятельной работы, который практически должен совпадать с расписанием аудиторных занятий. При этом целесообразно учитывать следующее. 1. Лекционный материал должен прорабатываться дважды: первый раз в день проведения лекции, чтобы лучше его понять и, возможно, дополнить; второй раз – при подготовке к практическим и лабораторным занятиям в качестве основы для расширенного изучения темы по рекомендованной литературе. 2. Контрольные работы рекомендуется выполнять сразу же после получения задания для более качественного поиска литературы и изучения найденного по заданной теме материала. 3. Самостоятельное изучение разделов, тем и отдельных вопросов рабочей программы курса физики рекомендуется осуществлять в кратчайшие сроки по мере поступления задания от лектора. 4. График консультаций и дополнительных занятий всех преподавателей кафедры висит на доске объявлений кафедры физики, а также объявляется ведущим преподавателем на лекции. Особенность учебного процесса в высшей школе заключается в огромном значении самостоятельной работы студентов по изучению учебных дисциплин. Только самостоятельная работа студентов над учебным материалом дает прочные и систематизированные знания, приучает к самостоятельному и творческому мышлению, способствует становлению высокообразованного специалиста-профессионала. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы предназначены для студентов младших курсов, изучающих дисциплину «Физика» на кафедре физики. Самостоятельная работа студентов включает в себя: - проработку лекционного материала перед практическими и лабораторными занятиями, а также изучение рекомендованной литературы; - подготовку к лабораторным занятиям: изучение теории по теме лабораторной работы, устройства лабораторной установки или стенда, порядка выполнения работы, оформление отчета по выполненной лабораторной работе; - подготовку к практическим занятиям и контрольным работам: изучение теоретических вопросов, законов и формул по темам практических занятий по решению задач и контрольным работам; - самостоятельное изучение разделов, тем и отдельных вопросов рабочей программы дисциплины; - выполнение контрольных работ; - выполнение реферативных работ по заданной теме; - подготовку докладов на семинары и конференции по заданной теме; - подготовку к зачетам или экзаменам по дисциплине.
Работа с конспектом лекций Конспект лекций служит основой для самостоятельного углубленного изучения дисциплины и должен составляться по определенным правилам. На первой лекции преподаватель доводит до студентов требования по оформлению конспекта, основными из которых являются: - нумерация страниц конспекта; - на первой странице конспекта должны быть указаны название дисциплины, учебная группа, фамилия, имя и отчество студента; - на второй странице - фамилия, имя и отчество преподавателей, которые проводят занятия по дисциплине, а также список литературы, необходимой для изучения дисциплины; - на третьей странице - содержание конспекта с указанием страниц, которое дополняется по мере написания конспекта; - начиная с четвертой страницы необходимо делать поля шириной 2 – 3 см, на которых указываются дата проведения лекции, принятые сокращения, ссылки на литературу и т. д.; - каждая лекция начинается с новой страницы; - конспект оформляется черными или синими чернилами, разрешается использование цветных чернил при оформлении рисунков, графиков, при подчеркивании ключевых слов, заключении в рамку формул и т. д.; - формулы должны записываться с новой строки посередине с указанием на полях их номера, который заключается в круглые скобки и включает в себя номер лекции и номер формулы в этой лекции, например, (1.1), (2.5), (3.3). Правильное ведение конспекта создает оптимальные условия для усвоения прочитанного лектором материала. Необходимо записывать только основные положения (определения физических величин, законы, правила, принципы работы и т. д.), формулы и рисунки. В то же время конспект лекции должен содержать как можно больше материала, чтобы в дальнейшем уменьшить трудоемкость и время изучения дисциплины при использовании рекомендованной литературы. Существует несколько способов увеличения объема лекции. 1. Первый способ – это сокращение ключевых слов и применение условных знаков. Записывая сокращения и условные знаки на доске, преподаватель требует, чтобы студенты записывали их на полях конспекта. Как правило, ключевые слова входят в название темы. Могут применяться и сокращения других часто встречающихся слов. При сокращениях можно использовать символы или известные знаки. Например, электродвижущая сила – ЭДС, коэффициент полезного действия – КПД, электромагнитные волны – ЭМВ, напряжение - U, ток – I и т. д. К условным знакам можно отнести: больше >, меньше <, увеличивается , уменьшается ¯ и т. д. 2. Второй способ – сокращение самих слов в предложениях без сокращения связующих слов. Например, принцип суперпозиции электрических полей: «Напряженность поля системы точечных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности» можно записать так: «Напряж. поля сист. точ. заряд. равна вект. S напряж. полей, созд-х кажд. точ. зар.». Целесообразно конспект лекции прочитать в день проведения лекции, пока свежо ее непосредственное восприятие и есть возможность восстановить по памяти не записанную важную информацию, поставить вопросы на полях и в дальнейшем проконсультироваться по ним с преподавателем. Проработка конспекта лекций по нужной теме должна повторно производиться перед каждым лабораторным или практическим занятием. 4. Организация проведения лабораторных занятий и подготовка к ним Лабораторные занятия составляют основу практической работы студентов по дисциплине «Физика» иимеют целью углубление и закрепление теоретических положений и законов, овладение студентами методами и техникой экспериментальных исследований, оценки погрешностей измерения и анализа полученных результатов, приобретение навыков работы с лабораторным оборудованием, контрольно-измерительными приборами и вычислительной техникой. При проведении лабораторных занятий учебная группа делится на две подгруппы, с каждой из подгрупп работает свой преподаватель в определенной половине физической лаборатории. Деление учебной группы на две подгруппы осуществляется на первом лабораторном занятии, которое является вводным. Основные цели вводного занятия: 1) ознакомление студентов с правилами техники безопасности при работе в данной физической лаборатории; 2) разделение учебной группы на две подгруппы, ознакомление с общим списком лабораторных работ и списком последовательности выполнения работ для каждого конкретного студента; 3) ознакомление с правилами выполнения лабораторных работ и требованиями к самостоятельной подготовке к лабораторному занятию (конспекту лабораторной работы), выполнению экспериментальных измерений и оформлению отчета, защите теории к лабораторной работе. После ознакомления с правилами техники безопасности студенты ставят свои подписи в журнале по технике безопасности той физической лаборатории, где будут проходить лабораторные занятия. На кафедре физики имеется четыре физических лаборатории: № 304, № 305 - механики и молекулярной физики; № 307, № 308 – электричества и оптики. В каждой лаборатории имеется по четыре одинаковых лабораторных стенда или установки для выполнения лабораторной работы одного наименования; всего 14 наименований лабораторных работ в лабораториях механики и молекулярной физики, 14 – в лабораториях электричества и оптики. Каждая лабораторная работа выполняется студентом индивидуально, по списку, сообщенному ему на вводном занятии. Заходить в физическую лабораторию на лабораторное занятие допускается только с разрешения ведущих занятие преподавателей. Во время лабораторного занятия не допускается свободное бесцельное хождение по лаборатории, а также выход в коридор без разрешения преподавателя. Лабораторное занятие начинается с предъявления конспекта лабораторной работы преподавателю. После этого студент знакомится с устройством своего стенда или установки. Если установка или стенд полностью готовы к работе, студент восстанавливает в памяти порядок выполнения работы, кратко излагает преподавателю методику проведения эксперимента и начинает делать измерения. Если из приборов и устройств на стенде необходимо собрать электрическую цепь (раздел «Электричество»), сначала надо визуально убедиться, что выключен автоматический выключатель на стенде. Далее собрать электрическую цепь по электрической схеме и пригласить преподавателя для ее проверки. Только с разрешения преподавателя можно подавать питание на исследуемую цепь путем включения автоматического выключателя и начинать измерения. Если источник питания регулируемый, то перед каждым включением питания необходимо устанавливать регулятор напряжения в нулевое положение. После выполнения измерений и записи значений измеренных величин в таблицу измерений в конспекте необходимо предъявить их преподавателю для проверки и подписи. Оставшееся после экспериментальных измерений время используется для проведения расчетов и защиты теории к лабораторной работе по контрольным вопросам в методическом указании. Лабораторная работа считается зачтенной, если: 1) выполнены экспериментальные измерения: 2) защищена теория к лабораторной работе; 3) оформлен и подписан преподавателем отчет (включающий конспект, таблицу измеренных и рассчитанных физических величин, оценку погрешностей их измерения, графики, выводы с анализом полученных результатов). К сдаче зачета или экзамена по физике допускаются только студенты, выполнившие полный объем лабораторных работ за семестр. Студент, явившийся на лабораторное занятие без конспекта очередной лабораторной работы, к выполнению лабораторной работы не допускается.
5. Организация проведения практических занятий и подготовка к ним Цель практических занятий - научить студентов применять теоретические знания и законы в конкретных случаях при решении задач. На практических занятиях по решению задач углубляется понимание физических законов, раскрываются способы, методы и специальные приемы оценки физических величин в различных моделях физических систем. Поэтому одним из основных условий плодотворной работы студентов на практических занятиях по решению задач является знание физических законов, которые рассматриваются на лекциях. Подготовка студентов к практическим занятиям состоит в изучении лекционного материала и рекомендованной литературы по теме занятия, четкого знания определений физических величин, их единиц измерений в системе СИ, а также правил перехода от внесистемных единиц измерения в СИ. Закрепление методик и способов решения задач, изученных на аудиторном практическом занятии, происходит при самостоятельном решении домашнего задания. Контроль усвоения физических законов и методов решения задач осуществляется путем проведения контрольных работ по основным темам курса физики либо небольшой самостоятельной работы на каждом практическом занятии.
6. Общие методические указания и рекомендации по выполнению контрольных работ Предлагаемые контрольные работы содержат задачи по основным разделам физики. В основу каждой задачи положено то или иное частное проявление одного или нескольких фундаментальных законов природы и их следствий. Перед решением задач следует тщательно проработать теорию вопроса, поскольку без знаний теории невозможно успешное решение и анализ даже сравнительно легких задач. Таким образом, решение и анализ задач позволяют понять основные законы физики, создают представление об их характерных особенностях и границах применения. Умение решать задачи является основным критерием оценки знаний студента. Решение большинства задач, в которых требуется выполнить расчет конкретных физических величин можно разделить на следующие этапы: 1. Анализ исходных данных, графическая интерпретация рассматриваемого процесса; 2. Установить, какие физические закономерности лежат в основе рассматриваемого процесса, составить уравнения, связывающие физические величины, характеризующие рассматриваемое явление количественно; 3. Совместное решение уравнений и анализ полученных результатов. Примеры решения задач Задача 1. Определить угол, под которым тело брошено к горизонту, если максимальная высота подъема тела равна 1/4 дальности его полета (рисунок 2). Сопротивлением воздуха пренебречь.
Решение: Разложим скорость u0 на составляющие u0х = u0 cos a и u0у = u0 sin a, где u0х, u0у - начальные скорости движения вдоль осей х, у соответственно (рисунок 2).
Рисунок 2 – Траектория движения тела
Высота h подъема теларавна , (1) где – время подъема, t – полное время полета. Вертикальная скорость uy = u0y – gt1 = 0 в точке А, откуда . Подставив в выражение (1) время подъема t1, получим
(2) Дальность полета (3) Из условия h = имеем: , откуда , или и . Ответ: a = 450.
Задача 2. Тело массой m1 = 1 кг вращается на тонком стержне в вертикальной плоскости. Частота вращения равна n = 2 с-1, длина стержня R = 12, 5 см. Определить силу натяжения стержня: 1) в верхней точке; 2) в нижней точке. Решение:
1) T1 P m a ц
На тело в верхней точке действует сила тяжести Р = mg и сила натяжения Т стержня. В результате действия двух сил тело движется по окружности, т.е. с центростремительным ускорением aц = w2R, (1)
где w - угловая скорость; R – радиус траектории. Учитывая, что w = 2p n, можем записать aц = 4p2n2R. (2)
Направление сил Т1 и Рсовпадает с вектором ац, поэтому второй закон Ньютона запишем в скалярной форме:
T1 + mg = maц (3) или с учётом (2) T1 + mg = 4mp2n2R, (4) откуда T1=m(4p2n2R - g) (5)
Вычислим по формуле (5) искомую силу натяжения стержня в верхней точке траектории: Т1 = 1× (4 × 3, 142 × 22 × 0, 125 – 9, 81) Н = 9, 91 Н.
2) Т2 m a ц
P
В нижней точке траектории на тело действуют те же силы Р = mgи Т2. Однако сила Р в данном случае направлена противоположно вектору ац.. В связи с этим второй закон Ньютона имеет вид: T2 – mg = 4mp2n2R,
откуда T2 = m(g+ 4p2n2R).
После подстановки имеем:
Т2 = 1× (9, 81 + 4 × 3, 142 × 22 × 0, 125) Н = 29, 53 Н.
Ответ: T1=9, 91 Н; Т2 = 29, 53 Н.
Задача 3. На однородный сплошной цилиндрический барабан массой M = 7, 5 кг и радиусом R = 20 см намотана легкая нить, к концу которой прикреплен груз массой m = 0, 5 кг. До начала вращения барабана высота груза над полом составляла h = 2, 3 м. Определить время t опускания груза до пола, силу натяжения T нити и кинетическую энергию K груза в момент удара о пол. Решение: Распределение сил для данного случая (рисунок 3). Рисунок 3 – Распределение сил По закону сохранения энергии (1) где угловая скорость ; высота груза от пола ; скорость падения груза ; момент инерции сплошного цилиндрического барабана . Подставив их значения в (1), получим откуда Время опускания груза до пола , (2) Уравнение динамики вращательного движения барабана откуда сила натяжения нити где угловое ускорение , тогда сила натяжения нити , (3) Кинетическая энергия груза в момент удара о пол: (4)
Подставим численные значения: с. Н. Дж. Ответ: t = 2 с; Т = 4, 31 Н; Ек = 1, 32 Дж. Задача 4. В сосуде вместимостью 5 л при нормальных условиях находится азот. Определите: 1) количество вещества ν ; 2) массу m азота; 3) концентрацию n его молекул в сосуде; 4) массу m0 одной молекулы азота. Решение Из уравнения Клапейрона-Менделеева следует, что число молей , (1) Число молей , откуда масса азота По основному уравнению молекулярно-кинетической теории давление азота в сосуде рн =nkTн,, где k = 1, 38 × 10 Дж/К – постоянная Больцмана, откуда концентрация атомов азота (2) Масса одной молекулы азота равна , (3) Подставим численные значения. моль. кг. м-3. кг. Ответ: ν = 0, 223 моль; m = 6, 25× 10-3 кг; n = 2, 69× 1025 м-3; m0 =4, 7× 10-26 кг.
Задача 5. Определите массу азота, прошедшего вследствие диффузии через площадку S = 50 см2 за время t = 20 с, если градиент плотности в направлении, перпендикулярном площадке, равен = 1 кг/м4. Температура азота Т = 290 К, а средняя длина свободного пробега его молекул равна < l> = 1 мкм.
Решение
По уравнению диффузии (закону Фика) , где коэффициент диффузии ,
< l> = 10-6 м, а средняя скорость молекул . Тогда масса азота равна . Найдем численное значение m: кг = 15, 6 мг.
Ответ: m = 15, 6 мг.
Задача 6. Азот, находившийся при температуре Т = 400 К, подвергся адиабатному расширению, в результате чего его объем увеличился в n = 5 раз, а внутренняя энергия уменьшилась на DU = - 4 кДж. Определить массу m азота. Решение При адиабатном процессе отсутствует теплообмен с окружающей средой и Q = 0. Из первого начала термодинамики получаем, что А DU. Работа при адиабатном процессе равна , учитывая, что показатель адиабаты . Отсюда следует, что масса m азота равна .
Найдем численное значение m. Число степеней свободы для жестких двух-атомных молекул, каковыми являются молекулы азота, i = 5, поэтому показатель
адиабаты равен . г. Ответ: m = 28 г. Задача 7. В центре квадрата, в каждой вершине которого находится заряд равный 2, 4 нКл, помещен отрицательный заряд qo. Найти этот заряд, если на каждый заряд в вершине действует результирующая сила, равная 0, 4 мН. Сторона квадрата 1 см (ε =1). Решение: Данный процесс удобно показать на рисунке 4.
Рисунок 4 – Распределение сил между зарядами
Результирующая сила F, действующая на каждый из зарядов, находящихся в вершинах квадрата, равна , где на основании закона Кулона , Отсюда:
Задача 8. Два точечных заряда q1 = 7, 5 нКл и q2 = -14, 7 нКл расположены на расстоянии r = 5 см. Найти напряженность электрического поля в точке, находящейся на расстоянии а = 3 см от положительного заряда и b = 4 см от отрицательного заряда. Решение: Данный процесс удобно показать на рисунке 5.
Рисунок 5 – С оставляющие напряженности электростатического поля
Каждый заряд в искомой точке пространства создает свое электрическое поле: напряженность поля положительного заряда q1 направлена по силовой линии от заряда, напряженность поля отрицательного заряда q2 - по силовой линии к заряду. Согласно принципу суперпозиции напряженность поля в искомой точке пространства равна (1) Модуль вектора можно определить по теореме косинусов как
. (2) Напряженности поля, создаваемые в рассматриваемой точке пространства первым и вторым зарядами соответственно, равны (3) Косинус угла a между векторами и можно определить по теореме косинусов, примененной для треугольника расстояний а, b, r: , откуда . (4) Подставив (3), (4) в (2), получим (5) Подставим в (5) численные значения: Ответ: Е = 11, 2× 104 В/м.
Задача 9. В цепь переменного тока частотой f = 50 Гц включена катушка длиной l = 30 см и площадью поперечного сечения S = 10 см2, содержащая N = 1000 витков. Определите активное сопротивление катушки, если известно, что сдвиг фаз между напряжением и током j = 300.
Решение Тангенс сдвига фаз между напряжением и током в общем случае равен
где круговая частота w = 2p f. Учитывая, чтоемкостное сопротивление , получаем, что , откуда Индуктивность катушки индуктивности Активное сопротивление катушки Подставим численные значения: Ом. Ответ: R = 2, 28 Ом.
7. Требования к оформлению контрольной работы Контрольная работа по физике оформляется в тетради 18 листов. На обложке тетради указываются фамилия, имя, отчество студента, факультет, курс, группа, вариант контрольной работы. Оформление каждой из задач включает в себя условие задачи и ее решение. Решение задачи должно содержать графическую интерпретацию рассматриваемого физического процесса (если необходимо), ссылки на основные законы и пояснения последовательности действий при решении. Завершается решение задачи предложением, в котором указывается конечный ответ.
Контрольная работа №1 для студентов – заочников инженерно-строительного факультета Таблица вариантов для студентов-заочников.
Контрольная работа №2 для студентов – заочников инженерно-строительного факультета Таблица вариантов для студентов-заочников. |
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 311; Нарушение авторского права страницы