Конспект лекций по общей физике для студентов инженерного факультета, специальность «Прикладная геология» 2-ой семестр Комн. Б-24 Все материалы, необходимые. - презентация

1 Конспект лекций по общей физике для студентов инженерного факультета, специальность «Прикладная геология» 2-ой семестр Комн. Б-24 Все материалы, необходимые для изучения физики во втором семестре находятся на Учебном портале РУДН: балльно-рейтинговая система, программа, конспект лекций, варианты контрольных работ и т.д. Конспект лекций по общей физике для студентов инженерного факультета, специальность «Прикладная геология» 2-ой семестр Ведущий дисциплину: Умнов Анатолий Михайлович Комн. Б-24 Все материалы, необходимые для изучения физики во втором семестре находятся на Учебном портале РУДН: балльно-рейтинговая система, программа, конспект лекций, варианты контрольных работ и т.д.

2 Балльно-рейтинговая система Аттестационные работы по физике во втором семестре 2012/2013 учебного года 1. Лабораторный практикум (6 работ) баллов 2. Контрольная работа баллов 3. Коллоквиум (письменно) баллов 4. Контрольная работа баллов 5. Домашние задания (компьютерные тесты в системе «Ментор») баллов 6. Посещаемость занятий и активная работа на лекциях, семинарах и консультациях баллов 7. Итоговая аттестационная работа 25 баллов ВСЕГО 100 баллов ВСЕГО 100 баллов Одной – двум группам достанется федеральное интернет-тестирование, по результатам которого итоговая оценка может быть скорректирована

3 I. Электростатика Р аздел физики, в котором рассматриваются свойства и взаимодействия неподвижных в инерциальной системе отсчета заряженных тел или частиц Электрический заряд – физическая величина, характеризующая свойство тел или элементарных частиц вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд – физическая величина, характеризующая свойство тел или элементарных частиц вступать в электромагнитные взаимодействия. Важно отметить, что заряд является свойством материи и не существует сам по себе. Важно отметить, что заряд является свойством материи и не существует сам по себе. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

4 1.1. Свойства электрических зарядов Наименьшим по величине электрическим зарядом обладают элементарные частицы (электрон, позитрон, протон). Такой заряд называется элементарным, его абсолютное значение в системе СИ равно |e|=1.6х Кулона. Теоретики предполагают существование дробных частей этого заряда (кварков). Наименьшим по величине электрическим зарядом обладают элементарные частицы (электрон, позитрон, протон). Такой заряд называется элементарным, его абсолютное значение в системе СИ равно |e|=1.6х Кулона. Теоретики предполагают существование дробных частей этого заряда (кварков). Один из фундаментальных законов - закон сохранения заряда, суть которого заключается в том, что суммарный заряд изолированной системы остается постоянным, независимо от перераспределения заряда между телами. Один из фундаментальных законов - закон сохранения заряда, суть которого заключается в том, что суммарный заряд изолированной системы остается постоянным, независимо от перераспределения заряда между телами.

5 1.2 Закон Кулона (1785 г.) Запись закона Кулона в такой форме верна только в системе СИ для точечных зарядов в вакууме

6 1.3. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Напряженность электрического поля является силовой характеристикой электрического поля. Это величина, численно равная силе, действующей на единицу положительного заряда, помещенного в данную точку пространства. Таким образом, напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q в точке, расположенной на расстоянии r от заряда равна:

7 Для наглядного представления электрическое поле принято изображать в виде силовых линий. Под силовыми линиями понимаются линии, касательные к которым в данной точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке. Густота силовых линий пропорциональна величине напряженности электрического поля. Силовые линии начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах.

8 Принцин суперпозиции Для определения напряженности электрического поля, создаваемого совокупностью зарядов используют принцип суперпозиции (наложения). Суммарная напряженность в заданной точке равна векторной сумме напряженностей электрического поля, создаваемых каждым зарядом в отдельности. Суммарная напряженность в заданной точке равна векторной сумме напряженностей электрического поля, создаваемых каждым зарядом в отдельности. Этот же принцин используется для расчета суммарной силы, действующей на заряд со стороны нескольких зарядов.

9 1.4. Поток вектрора напряженности электрического поля через поверхность Введем понятие потока вектора напряженности электрического поля через поверхность: Введем понятие потока вектора напряженности электрического поля через поверхность: Например, если окружить точечный заряд q сферической поверхностью радиусом r, то, учитывая, что можно вынести из под знака интеграла, поток вектора напряженности через эту поверхность будет равен: Например, если окружить точечный заряд q сферической поверхностью радиусом r, то, учитывая, что можно вынести из под знака интеграла, поток вектора напряженности через эту поверхность будет равен:

10 Поток вектора напряженности электрического поля через любую замкнутую поверхность равен сумме зарядов, охватываемых этой поверхностью (сосредоточенных внутри этой поверхности), деленной на. 1.4а. Теорема Гаусса. Применяя теорему Гаусса к бесконечной, равномерно заряженной плоскости, получим выражение для Е, из которого следует, что напряженность электрического поля бесконечной, равномерно заряженной плоскости не зависит от расстояния от неё. Поверхностная плотность заряда

11 1.5. Работа сил электрического поля. Величина работы под действием сил электрического поля зависит лишь от начального и конечного расположения заряда и не зависит от формы пути (траектории движения). Вспомним, что такие поля называются потенциальными.

12 1.5а. Потенциал Энергетическая характеристика электрического поля называется потенциалом. Это величина численно равная энергии, которой обладает единичный положительный заряд, в данной точке электрического поля Физический смысл имеет лишь разность энергий, выражающая работу, совершаемую силами поля при переходе из одной точки в другую, дадим более корректное определение потенциала: величина численно равная работе при перемещении единицы положительного заряда из данной точки пространства на бесконечность. Единица измерения потенциала в СИ

13 Используя определение потенциала выражение для работы сил электрического поля при перемещении заряда q из точки 1 в точку 2 (или точку 3, или 4) можно записать следующим образом: независимо от того, по какому пути перемещался заряд Например, если электрон пройдет разность потенциалов в 1 Вольт, он приобретает энергию равную 1 эВ. Эта внесистемная единица называется электронвольтом (эВ). Поверхности равного потенциала называются эквипотенциальными поверхностями. Силовые линии напряженности электрического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

14 1.6. Связь между напряженностью и потенциалом электрического поля В декартовой системе координат в трехмерном случае Пусть заряд q перемещается из точки 1 в точку 2. Из выражений для элементарной работы сил электрического поля получим или

15 Проводники и диэлектрики в электрическом поле Тела или вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться (например, металлы, растворы), называются проводниками. В металлах носителями свободных зарядов являются электроны (электронный газ). Плотность электронного газа в металлах по порядку величины составляет: Таким образом, внутри металлов величина напряженности электростатического поля равна нулю. Это свойство металлов применяется для электростатической защиты. Свободные электроны в металле перемещаются под действием электрического поля. В металле возникает поле направленное противоположно внешнему

16 Диэлектрики в электрическом поле В идеальном диэлектрике свободных носителей зарядов нет. Заряды в молекулах и атомах находятся в связанном состоянии. Внутри атомов и молекул существуют очень большие электрические поля : Вывод: Напряженность электрического поля внутри диэлектрика меньше напряженности внешнего поля. Диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью среды. Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика. Вектор поляризации:

17 Как показывает опыт, между зарядом и потенциалом существует прямо пропорциональная зависимость. Коэффициент пропорциональности между ними носит название электрической емкости или электроемкости. Емкость – величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд. Более точными выражениями являются 1.7 Электрическая емкость. Единицей измерения емкости является Фарада (в некоторых учебниках – Фарад).

18 Емкость проводника можно определить, зная заряд проводника и потенциал. Так как потенциал шара или сферы, которым сообщен заряд Q, имеют потенциал, то емкость сферы или шара равна Из этой формулы следует, что электроемкость пропорциональна размерам проводника. Например, емкость Земли составляет немногим более 600 мкФ. Для практических целей используется система из двух противоположно заряженных проводников, обычно разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Такая система называется конденсатором и применяется для накопления заряда.

19 Конденсаторы Наиболее простым конденсатором является плоский конденсатор, представляющий собой две разноименно заряженные пластины, расположенные параллельно друг другу. Электрическое поле плоского конденсатора (слева). Справа - идеализированное представление поля плоского конденсатора. Разность потенциалов (напряжений) между пластинами U = Ed, где d – расстояние между пластинами. Поэтому емкость плоского конденсатора, у которого площадь пластины S равна:

20 Соединения конденсаторов Пара ллел ьное В случае последовательного соединения заряды на всех конденсаторах одинаковы, а полная разность потенциалов равна сумме напряжений Полная емкость системы (батареи) конденсаторов Последовательное

21 Энергия электрического поля Если заряд уединенного тела изменяется на величину dq, то при этом совершается работа Тогда полная работа при изменении заряда от 0 до q равна: Величина этой работы есть ничто иное, как энергия заряженного тела. Таким образом, определить энергию заряженного тела можно по одной из приведенных выше формул. Проведя те же рассуждения для заряженного конденсатора, получим

22 Плотность энергии электрического поля Введем понятие плотности энергии в конденсаторе Так как объем плоского конденсатора равен подставляя в выражение для плотности энергии Получим: Заметим, что полученное выражение для плотности энергии справедливо не только для плоского конденсатора, но для любого электростатического поля в вакууме

23 Интернет тестирование в сфере образования Адрес сайта: Пройти тестирование (в верхнем меню) Вводим ключ: tt641 Выбираем образовательный стандарт: ФГОС Выбираем специальность. Строители: Прикладная геология: Выбираем дисциплину ФИЗИКА Выбираем режим тестирования: САМОКОНТРОЛЬ Из меню удаляем те разделы, которые ещё не изучали и начинаем тестирование

24 Задачи Дана система точечных зарядов в вакууме и замкнутые поверхности S1, S2 и S3, причем поверхность S3 охватывает поверхность S2, которая в свою очередь охватывает поверхность S1. Сквозь какие поверхности поток напряженности электростатического поля отличен от нуля?

25 Установите соответствие между величиной (знаком) работы сил электростатического поля, создаваемого зарядом +Q, по перемещению отрицательного заряда – q и траекторией перемещения (указаны начальная и конечная точки).

26 В некоторой области пространства создано электростатическое поле, потенциал которого описывается функцией: Какое из указанных на рисунке направлений будет иметь вектор напряженности электрического поля в точке А? Какое направление будет иметь градиент потенциала?

27 Спасибо за внимание