Список контрольных вопросов по дисциплине «Физика» 2 семестр

по разделу Физические основы механики

Лекция 1. Вводная. Предмет физики. Физический объект, физическое явление, физический закон. Физика и современное естествознание. Системы отсчёта. Кинематика материальной точки. Угловые скорость и ускорение твёрдого тела. Классический закон сложения скоростей и ускорений при поступательном движении подвижной системы отсчета.

1. Дать определение дисциплины физика, определить основные задачи физики. Дать определения, указать различия и взаимосвязь между экспериментальным и теоретическим методом в физике. Что называют фундаментальными физическими теориями? Привести примеры фундаментальных физических теорий.
2. Определить значение категорий пространства, времени и материи при описании физических явлений. Какое пространство является пространством классической физики? Назвать основные свойства пространства и времени в классической физике.
3. Дать определение кинематики. Что называют системой отсчета? Какие виды движения существуют? Дать определение основных характеристик движения. Отличие векторных характеристик движения от скалярных.
4. Сформулировать прямую и обратную задачи кинематики. Записать связь линейных и угловых  кинематических величин. Сформулировать различие между полярными и аксиальными векторами.
5. По какой траектории будет двигаться частица в случае, когда ее тангенциальное ускорение больше нуля и нормальное ускорение постоянно? Дать обоснование и изобразить траекторию частицы.

Лекция 2.«Закон сохранения импульса». Силы. Инерциальная система отсчёта. Динамика материальной точки. Механическая система и её центр масс. Уравнение изменения импульса механической системы. Закон сохранения импульса.

1. Сформулировать основное отличие динамического подхода от кинематического. Дать определение силы, массы и импульса. Чем различаются инертная и гравитационная массы? Что утверждает принцип эквивалентности?
2. Перечислить силы, рассматриваемые в задачах механики. Перечислить виды фундаментальных взаимодействий. Дать определение импульса частицы.
3. Сформулировать три закона Ньютона. Какие системы отсчета называют инерциальными и неинерциальными? Перечислить виды сил инерции.
4. Дать определение центра масс механической системы. Записать уравнение движения центра масс механической системы. Сформулировать закон сохранения импульса механической системы. Какую механическую систему называют замкнутой или изолированной? Какому свойству пространства соответствует закон сохранения импульса? 
5. Дать определение приведенной массы механической системы. Чему равен импульс частицы в системе центра масс в терминах приведенной массы и относительной скорости?

Лекция 3.«Закон сохранения момента импульса». Момент силы. Моменты импульса материальной точки и механической системы. Уравнение моментов механической системы. Закон сохранения момента импульса механической системы.

1. Дать определение момента сил и момента импульса. Определить различие между моментом импульса относительно точки и относительно фиксированной оси. Сформулировать закон изменения момента импульса относительно оси для материальной точки и механической системы.
2. Привести пример сложного движения с поступательной и вращательной компонентами. Записать закон сохранения момента импульса. Какому свойству пространства соответствует закон сохранения момента импульса? 
3. Что называют твердым телом в механике? Сформулировать понятие момента инерции относительно оси. Сформулировать основное уравнение динамики вращательного движения.
4. Привести пример расчета момента инерции симметричного твердого тела относительно оси симметрии. Сформулировать теорему Штейнера.
5. Рассчитать момент инерции тонкостенной сферы радиуса R и массы m относительно оси, проходящей через ее центр масс.

Лекция 4.«Закон сохранения энергии в механике». Работа и кинетическая энергия. Консервативные силы. Работа в потенциальном поле. Потенциальные энергии тяготения и упругих деформаций. Связь между потенциальной энергией и силой. Закон сохранения энергии.

1. Дать определение работы механической силы. В каком случае сила совершает положительную или отрицательную работу? Дать определение мощности силы. Что называют кинетической энергией?
2. Какие силы называют консервативными? Какие силы называют центральными? Дать определение потенциальной энергии.
3. Какой смысл имеет градиент потенциальной энергии? Что называют эквипотенциальными поверхностями?
4. Дать определение полной механической энергии. Сформулировать закон сохранения полной механической энергии. Какому свойству времени соответствует закон сохранения полной механической энергии? 
5. Какие силы называют неконсервативными? Привести примеры неконсервативных сил. Чему равна скорость изменения полной механической энергии системы?

Лекция 5.«Колебания» (первая часть). Гармонические колебания. Векторная диаграмма. Сложение гармонических колебаний одного направления равных и близких частот. Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний равных и кратных частот. Свободные незатухающие колебания. Энергия и импульс гармонического осциллятора. Физический маятник.

1. Какой тип движения называют колебаниями? Что называют осциллятором? Какие колебания называют собственными? Какие колебания называют гармоническими?
2. Определить понятия амплитуды, частоты и периода колебаний. Записать уравнение гармонических колебаний.
3. Дать определение физического и математического маятников. Привести выражения периода колебаний физического и математического маятников в случае малых амплитуд колебаний. Что называют приведенной длиной физического маятника?
4. Принцип сложения однонаправленных колебаний. Какой процесс называют биениями? Принцип сложения взаимно перпендикулярных колебаний. Какие траектории осцилляторов называются фигурами Лиссажу?
5. Чему равна полная механическая энергия и импульс гармонического осциллятора?

Лекция 6.«Колебания» (вторая часть). Фазовая траектория. Квазиупругая сила. Свободные затухающие колебания. Декремент и логарифмический декремент колебаний. Вынужденные колебания. Установившиеся вынужденные колебания. Механический резонанс.

1. Что называют фазовым пространством и фазовой плоскостью? Что является координатами в фазовом пространстве? Что называют фазовой траекторией и фазовым портретом механической системы? Изобразить фазовый портрет гармонического осциллятора.
2. Какие колебания называют затухающими? Записать уравнение затухающих колебаний. Изобразить фазовую траекторию системы, совершающей затухающие колебания.
3.  Дать определение частоты собственных затухающих колебаний, коэффициента затухания и декремента затуханий. Чему равно время релаксации?
4. Записать уравнение вынужденных колебаний. Дать определение механического резонанса. Изобразить амплитудно-частотную характеристику осциллятора, совершающего вынужденные колебания. Что называют добротностью осциллятора?
5. Привести пример параметрического резонанса.  

Лекция 7.«Механические волны». Виды механических волн. Упругие волны в стержнях. Волновое уравнение. Плоская гармоническая волна, длина волны, фазовая скорость. Сферические волны. Объёмная плотность энергии волны. Вектор Умова-вектор плотности потока энергии. Когерентные волны. Интерференция волн. Стоячая волна.

1. Какие процессы называют волновыми? В чем различие между продольными и поперечными механическими волнами? Дать определение волнового фронта и волновой поверхности.
2. Записать волновое уравнение в декартовых и сферических координатах.
3. Записать решение волнового уравнения в виде плоской и сферической волн. Дать определение длины волны и фазовой скорости.
4. Дать определение вектора плотности потока энергии. Определить интенсивность плоской и сферических волн. Каковы различия между активными и диссипативными средами?
5. Что называют интерференцией? Какие волны являются когерентными? Записать уравнение стоячей волны. Что называется узлами и пучностями стоячей волны?   

Лекция 8.«Элементы релятивистской механики» (первая часть). Преобразования Галилея. Инвариантность уравнений механики относительно преобразований Галилея. Специальная теория относительности. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Кинематические следствия из преобразований Лоренца. Релятивистский закон сложения скоростей.

1. Сформулировать смысл принципа относительности Галилея. Сформулировать постулаты Эйнштейна. Сформулировать принцип относительности в СТО.
2. Записать прямые и обратные преобразования Лоренца. Сформулировать основные следствия преобразований Лоренца.
3. Сформулировать принцип соответствия для случая СТО. При каких условиях преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея?
4. Какое значение имеет скорость света в вакууме в СТО?
5. Сравнить скорость света в вакууме в неподвижной системе отсчета и в системе отсчета, движущейся относительно первой со скоростью v вдоль выделенного направления на основе релятивистского сложения скоростей.

Лекция 9. «Элементы релятивистской механики» (вторая часть). Интервал событий. Элементы релятивистской динамики. Взаимосвязь массы и энергии. Связь между импульсом и энергией релятивистской частицы. Основное уравнение релятивистской динамики.

1. Какой физический смысл имеет точка в четырехмерном пространстве-времени СТО – пространстве Минковкого?  Что называют мировой линией?
2. Доказать инвариантность интервала между двумя событиями. Какие интервалы называют времениподобными и пространственноподобными? Что называют световым конусом?
3. Записать четырехмерные скорости и ускорения. Записать основное уравнение динамики релятивистской частицы.
4. Записать связь между энергией и импульсом для массивной и безмассовой релятивистской частицы.
5. В чем отличие релятивистского эффекта Доплера от классического? На чем основано явление аберрации светового луча?

Лекция 10.Статистический и термодинамический методы описания макроскопических тел. Термодинамическая система. Термодинамические состояния, обратимые и необратимые термодинамические процессы. Внутренняя энергия и температура термодинамической системы. Теплота и работа. Адиабатически изолированная система. Первое начало термодинамики.

1. Дать определение термодинамической системы. Привести примеры микроскопических и макроскопических параметров состояния системы. Какое состояние термодинамической системы называют равновесным?
2.  Что называют релаксацией термодинамической системы? Определить различие между обратимыми и необратимыми процессами. Какие процессы называют равновесными? Привести примеры обратимых и необратимых процессов.
3. Дать определение температуры. Какие факторы определяют значение внутренней энергии термодинамической системы? Что называют функцией состояния системы?
4. Дать определение теплоты, сообщаемой системе. Как вычислить работу, совершаемую системой при расширении? Является ли работа полным дифференциалом? Какие процессы называют циклическими?
5. Сформулировать смысл первого начала термодинамики. Возможно ли, сообщая системе тепло, уменьшить ее температуру?

Лекция 11.Уравнения состояния термодинамических систем. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Идеально-газовый термометр. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Равномерное распределение энергии по степеням свободы молекул. Внутренняя энергия идеального газа. Эффективный диаметр и средняя длина свободного пробега молекул газа. Экспериментальные подтверждения молекулярно-кинетической теории.

1. Что называют уравнением состояния системы? Назвать приближения, которые используются в модели идеального газа. Записать уравнение состояния идеального газа.
2. Какие положения лежат в основе молекулярно-кинетической теории? Как от уравнения состояния идеального газа перейти к основному уравнению молекулярно-кинетической теории? Дать определение температуры на основе представлений молекулярно-кинетической теории.
3. Сколько степеней свободы имеют молекулы одноатомного, двухатомного и многоатомного газа? Чему равна средняя энергия, приходящаяся  на каждую степень свободы молекулы идеального газа? Чему равна внутренняя энергия идеального газа, состоящего из N молекул?
4. Дать определение длины свободного пробега молекулы. Что называют эффективным сечением взаимодействия молекул?
5. В чем заключались опыт Штерна и опыт Ламмерта? Привести схему опытов и интерпретацию их результатов.

Лекция 12.Теплоемкость идеального газа при изопроцессах. Адиабатический процесс, уравнение Пуассона. Политропический процесс. Теплоемкость и работа в политропических процессах. Газ Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса.

1. Дать определение теплоемкости. Что называют молярной и удельной теплоемкостью? Зависит ли величина теплоемкости от способа, которым системе сообщается тепло?
2. Какие процессы называют политропическими? Записать уравнение политропического процесса. 
3. Дать определение изотермического, изобарного и изохорного процессов. Определить связь между теплоемкостями при постоянном давлении и объеме. 
4. Дать определение адиабатического процесса. Чему равен показатель адиабаты?
5. Каковы отличия модели газа Ван-дер-Ваальса от модели идеального газа? Как проявляется действие сил Ван-дер-Ваальса? От каких термодинамических параметров зависит внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса?

Лекция 13.Тепловые и холодильные машины. Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Теорема Карно. Термодинамическая шкала температур. Неравенство Клаузиуса. Термодинамическая энтропия. Закон  возрастания энтропии. Третье начало термодинамики.

1. Дать термодинамическое определение энтропии. Является ли приращение энтропии полным дифференциалом? Является ли энтропия функцией состояния системы? Как изменяется энтропия при циклическом процессе?
2. Сформулировать второе начало термодинамики. Чему равно изменение энтропии при изотермическом сжатии идеального газа? Что называют вечным двигателем первого и второго рода?
3. В чем заключается принцип работы тепловых и холодильных машин? Как определить к.п.д. тепловой машины? В чем заключается формулировка Клаузиуса второго начала термодинамики?
4. Дать формулировку первой и второй теорем Карно. Являются ли прием тепла от нагревателя и передача тепла холодильнику обратимыми процессами для цикла Карно? Изобразить цикл Карно на диаграммах давление-объем и температура-энтропия. Записать неравенство Клаузиуса для тепловых машин.
5. Сформулировать третье начало термодинамики. Возможно ли существование классических термодинамических систем с отрицательной температурой? Ответ аргументировать.

Лекция 14.Основное неравенство и основное уравнение термодинамики. Понятие о термодинамических потенциалах. Эффект Джоуля-Томпсона. Принцип Ле-Шателье-Брауна. Введение в термодинамику необратимых процессов.

1. Сформулировать основное неравенство термодинамики. Какому случаю соответствует знак равенства?
2. В чем заключается метод термодинамических потенциалов? Записать термодинамические потенциалы и пояснить их физический смысл. Что называют химическим потенциалом?
3. В чем заключается парадокс Гиббса?
4. Какие явления называют отрицательным и положительным эффектами Джоуля-Томсона? Дать определение температуры инверсии.
5. Сформулировать принцип Ле-Шателье-Брауна. Сформулировать второе начало термодинамики в терминах производства энтропии. Сформулировать принцип минимума производства энтропии.

Лекция 15.Статистическое описание равновесных состояний. Функция распределения. Барометрическая формула. Распределения Больцмана. Принцип детального равновесия. Распределение Максвелла. Экспериментальная проверка распределения Максвелла. Фазовое пространство. Распределение Максвелла-Больцмана. Равновесные флуктуации. Статистическое обоснование второго начала термодинамики. Формула Больцмана для статистической энтропии.

1. Каков физический смысл функции распределения? Как определяется условие нормировки функции распределения?
2. Записать распределение молекул по скоростям. Как определить наиболее вероятную, среднюю и среднюю квадратичную скорость на основе данного распределения? Можно ли различить молекулы, исходя из распределения Максвелла?
3. Привести пример распределения молекул в поле внешних сил. Записать распределение Больцмана и барометрическую формулу.  Каким образом возникает выталкивающая архимедова сила в газах?
4. Что называют микросостоянием системы? Какой смысл имеет термодинамическая вероятность? Каков статистический смысл равновесного состояния системы? Дать объяснение парадоксу Гиббса. 
5. Что называют флуктуациями? Привести статистическое определение энтропии. Сформулировать второе начало термодинамики с позиций статистического подхода.

Лекция 16.Термодинамические потоки. Явления переноса в газах: диффузия, теплопроводность и вязкость. Эффузия в разреженном газе. Физический вакуум. Броуновское движение. Производство энтропии в необратимых процессах.

1. Привести описание эффектов диффузии, теплопроводности и вязкого трения с точки зрения молекулярно-кинетической теории.
2. Дать определение явлению эффузии в разряженных газах. Записать условие равновесия для разряженных газов. Чем различаются тепловая и изотермическая виды эффузии?
3. Что называют физическим вакуумом? Какие виды вакуума можно рассматривать, исходя из молекулярно-кинетической теории? Каков принцип работы термосов?
4. Что является причиной броуновского движения?  Зависит ли коэффициент диффузии броуновской частицы от ее массы?
5. Определить производство энтропии, соответствующее процессам теплопроводности и вязкости.  Чему равно производство энтропии для газов в равновесном состоянии? Какие процессы можно рассматривать как локально равновесные?

Лекция 17.Агрегатные состояния вещества. Условия равновесия фаз. Явления на границе раздела газа, жидкости и твердого тела. Капиллярные явления. Фазовые переходы первого и второго рода. Диаграммы состояния. Критические явления при фазовых переходах.

1. Определить различия между агрегатными состояниями вещества. Записать формулу Ленарда-Джонса и пояснить ее смысл. Что называют ближним и дальним порядком при анализе структуры вещества?
2. Что называют фазой термодинамической системы? Сформулировать условие термодинамического равновесия фаз. Сформулировать правило фаз Гиббса и пояснить его смысл.
3. Какова причина возникновения капиллярных явлений? Пояснить смысл формулы Лапласа.
4. Что называют фазовым переходом? Каково различие между фазовыми переходами первого и второго рода? Что характеризует температура Кюри? Записать уравнение Клайперона-Клаузиуса. Почему лед образуется только на поверхности водоемов?
5. Что называют температурой кипения? Что является центрами парообразования, конденсации и кристаллизации? Дать определение точки росы.