Методические указания и контрольные задания по физике. Статистическая физика и термодинамика

московский 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Председатель 

Л. А. 
ПУЧКОВ 
ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены 
редсовета 

И.В. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

А.П.ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

В.В. 
КУРЕХИН 
академик 
РАЕН 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И. 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

э.м. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

К.Н. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.В. 
ХРОНИН 
профессор 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И. 
ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ З А О Ч Н О Е 
ОБРАЗОВАНИЕ 

О.Б. КАРПОВ 
Р.З. МУРАТОВ 
В.Л. САВАТОРОВА 

МЕТОДИЧЕСКИЕ 
УКАЗАНИЯ 
И КОНТРОЛЬНЫЕ 
ЗАДАНИЯ 
ПО ФИЗИКЕ 

СТАТИСТИЧЕСКАЯ 
Ф И З И К А 
И Т Е Р М О Д И Н А М И К А 

Рекомендовано 
кафедрой, физики 
в 
качестве 
методического 
пособия для студентов 
заочного 

факультета 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО 
У
Н
И
В
Е
Р
С
И
Т
Е
Т
А 

2 0 0 3 

УДК 536.2 
ББК 22.317 
К 26 

Рецензент 

канд. техн. наук, доцент Д.Л. 
Широчин 

Карпов О.Б., Муратов Р.З., Саваторова B.JL 

Методические указания и контрольные задания по 
физике. Статистическая физика и термодинамика: Учебное пособие. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. — 49 с : ил. 

Приведены программа, методические указания, вопросы для 
контрольной работы и варианты задач для проверки знаний студентов 
заочного обучения по дисциплине «Физика». 

УДК 536.2 
ББК 22.317 

© О.Б. Карпов, Р.З. Муратов, 

В.Л. Саваторова, 2003 
© Издательство МГГУ, 2003 
© Дизайн книги. Издательство 

МГГУ, 2003 

ВВЕДЕНИЕ 

Цель настоящих методических указаний — оказать помощь студентам-заочникам в самостоятельном изучении физики и выполнении контрольных работ. 

Учебная работа студента-заочника складывается из следующих основных элементов: самостоятельного изучения физики по учебным пособиям, решения задач, выполнения контрольных и письменных работ, выполнения лабораторных работ, сдачи зачетов и экзаменов. 

Самостоятельное изучение физики. Самостоятельная работа является главным видом обучения студента-заочника и сводится преимущественно к изучению курса физики по учебным 
пособиям. В конце книги приводится список рекомендуемых 
пособий. 

Приступая к самостоятельному изучению курса физики, 
необходимо ознакомиться с программой, определяющей объем 
учебного материала и последовательность его изучения. В настоящих указаниях дана рабочая программа — основа программы по физике для втузов (на момент написания указаний) с 
расположением материала, наиболее удобным для изучения 
физики по рекомендуемым учебным пособиям. 

При самостоятельном изучении важно прежде всего научиться отделять главные физические понятия и законы от второстепенных, видеть за многочисленным описательным материалом небольшое число обобщающих фундаментальных положений. Важно уяснить единство и внутреннюю логику физики, соподчиненность ее законов и понятий. 

Физика — наука точная. Это значит, что вместе с качественным описанием понятий необходимо давать и количественное их определение — прямое или косвенное измерение. Поэтому вопрос об измерении и единицах измерения возникает 
уже при теоретическом изучении курса физики. 

5 

Самостоятельное изучение должно быть систематическим, 
самоконтролируемым, по возможности дополненным прослушиванием обзорных лекций. 

Решение задач. Решение задач по физике помогает уяснить 
физический смысл явлений, прививает навыки практического 
применения полученных знаний, способствует закреплению в 
памяти физических формул. Поэтому рекомендуется систематическое решение задач в продолжение изучения всего курса 
физики. Необходимым требованием при решении задач является знание систем единиц. Нужно твердо помнить, что без основательного знания систем единиц, без умения пользоваться ими 
при решении задач невозможно усвоить курс физики и применять физические знания на практике. 

При решении задач по физике необходимо придерживаться 
следующих правил: 

• записать в левой части тетради данные условия задачи, 
столбец данных подчеркнуть и ниже черты записать искомое; 

• выбрать систему единиц для решения задачи и выразить 
все величины в единицах выбранной системы; 

• во всех случаях, когда это представляется возможным, 
рекомендуется сделать чертеж или схему установки; 

• написать формулы, связывающие искомую величину с 
данными задачи, решить и преобразовать формулу относительно искомой величины; 

• провести решение сначала в общем виде, а потом сделать подстановку значений по условию задачи, соблюдая систему единиц и размерность. 

Выполнение контрольных работ. Контрольные работы, выполняемые студентом, имеют целью контролировать работу 
студента и оказывать помощь в вопросах, не понятых или слабо усвоенных. 

При выполнении студентом контрольных работ нужно руководствоваться следующими требованиями. 

• Номера 
задач, включенных в контрольную 
работу, 
должны соответствовать данному варианту и шифру 
студента. 

6 

• Контрольная работа выполняется в школьной тетради, 
на лицевой 
стороне которой приводятся сведения по 
следующему образцу: 

фамилия, имя и отчество; 
шифр; 
изучаемая дисциплина; 
контрольная работа № 
: 

адрес. 

• Контрольные работы должны быть направлены в деканат не позднее, чем за две недели до начала сессии. 

Выполнение лабораторных работ. Лабораторные работы 
имеют целью ознакомить студента с измерительной аппаратурой и методами физических измерений, а также проиллюстрировать основные физические законы. Выполнение лабораторных работ является обязательным для всех студентов. 

Число работ по каждой части курса физики, а также их тематика и содержание определяются кафедрой физики Университета. 

При выполнении лабораторных работ по определенной 
части курса физики студент обязан сдать зачет по лабораторному практикуму. При сдаче зачета он должен по каждой выполненной работе продемонстрировать: 

• знание физического смысла измеряемой величины, методики ее измерения, а также теоретических вопросов, 
на которых базируется работа; 

• умение собрать установку по принципиальной схеме и 
пользоваться измерительной аппаратурой; 

• знание расчетных формул; 
• знание степени точности как промежуточных, так и 
окончательных результатов измерений, умение вычислить абсолютную и относительную погрешности. 

Сдача зачетов и экзаменов. К сдаче экзамена или теоретического зачета допускаются студенты, выполнившие установленное число контрольных и письменных работ и сдавшие зачет по лабораторному практикуму. Зачтенные контрольные и лабораторные работы предъявляются экзаменатору. 

7 

При сдаче экзамена студент должен продемонстрировать 
знание 
курса 
физики 
в 
объеме, 
установленном 
программой, умение решать физические задачи, а также дать пояснения по существу решения задач, входящих в его контрольные 
работы. 

Число экзаменов и теоретических зачетов по курсу физики 
устанавливается учебными планами специальностей. 

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА 

Уравнение состояния газа. Уравнение состояния идеального газа как следствие атомно-молекулярного строения вещества. Универсальная газовая постоянная. Связь абсолютной температуры со средней кинетической энергией молекулы. Постоянная Больцмана. Число Авогадро. Внутренняя энергия идеального газа. Закон равнораспределения. Работа и количество 
теплоты. Их связь с изменением внутренней энергии. Теплоемкости Ср и Cv идеального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. 
Изотермы реальных газов. Фазовые переходы. 

Распределение Максвелла—Больцмана. 
Равновесное 
состояние. Максвелловское распределение молекул по скоростям. 
Средняя, средняя квадратичная и наиболее вероятная скорости. 
Вычисление средних значений физических величин. Барометрическая формула. Закон Больцмана для распределения частиц 
в силовом поле. Понятие о фазовом пространстве. 

Основы термодинамики. Первое начало термодинамики. Работа газа при различных процессах. Адиабатный процесс. Работа 
при адиабатном процессе. Циклические процессы. Работа и внутренняя энергия в циклах. Обратимые и необратимые процессы. 
Цикл Карно. КПД цикла Карно. Второе начало термодинамики. 
Энтропия и свободная энергия. Закон возрастания энтропии. Статистический смысл второго начала термодинамики. 

Явления переноса. Общая характеристика явлений переноса. Теплопроводность, вязкость, диффузия. Их микроскопическое описание. 

Агрегатные состояния и фазовые переходы. Равновесие фаз в 
однокомпонентной системе. Диаграмма давление—температура. 
Тройная точка. Уравнение Клапейрона— Клаузиуса. Внутренняя 
энергия реальных газов. Эффект Джоуля—Томсона. 

Кристаллическое состояние. Тепловое расширение твердых 
тел. Теплопроводность твердых тел. Упругие свойства твердого 
тела. 

9 

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 

МОЛЕКУЛЯРНАЯ 
ФИЗИКА 
И ТЕРМОДИНАМИКА 

Термодинамика 
и молекулярная 
физика, взаимно дополняя 
друг друга, отличаются различным подходом к изучаемым явлениям. 

Термодинамика 
изучает макроскопические свойства тел и 
явлений природы, не входя в микроскопическое рассмотрение 
процессов. Основные выводы термодинамики базируются на 
законах, являющихся обобщением опытных фактов. 

Молекулярная 
физика 
(молекулярно-кинетическая 
теория) 
исходит из того, что любое тело — твердое, жидкое или газообразное — состоит из большого количества 
микрочастиц 
(молекул или атомов). Эти частицы хаотически движутся. Молекулы и атомы взаимодействуют друг с другом (между ними 
могут действовать силы притяжения и отталкивания). При таком подходе наблюдаемые на опыте физические свойства тел, 
такие как температура, давление и т.д., являются результатом 
суммарного действия целого ансамбля микрочастиц. Задача 
описания движения каждой отдельной молекулы такого ансамбля была бы неоправданно сложной. Поэтому для описания 
поведения систем, состоящих из большого числа объектов, используют статистический 
метод, позволяющий перейти от характеристик движения одной частицы к средним величинам, 
характеризующим огромную совокупность частиц. 

Исторически основные законы, управляющие тепловыми 
процессами, были определены в рамках макроскопического подхода. В дальнейшем в рамках молекулярно-кинетической теории 
данные термодинамические 
законы получили 
теоретическое 
обоснование и были объяснены с точки зрения микроскопических процессов. Следуя исторической традиции, мы также начнем свое рассмотрение с термодинамики, а к статистическому 
методу будем прибегать лишь по мере необходимости. 

10