Методические рекомендации для обучающихся по решению задач по дисциплине «Физика»

Методические рекомендации для обучающихся по решению задач

по дисциплине «Физика»

Министерство образования Красноярского края краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Минусинский сельскохозяйственный колледж»

Автор: Темерова Валентина Васильевна, преподаватель физики.

Методические рекомендации по решению задач по дисциплине «Физика»

разработаны для обучающихся профессии сельскохозяйственного профиля.

Методические рекомендации подготовлены с целью повышения

эффективности профессионального образования и самообразования

обучающихся и довести до обучаемых общие методы решения задач по

физике, основанные на возможности общего подхода к решению различных

задач, а также на том широко известном факте, что все явления описываются

небольшим числом основных уравнений. В рекомендациях представлен материал, необходимый для оптимизации обучения, организации труда обучающихся, предлагаемые образовательной программой по физике для профессионального образования.

Пояснительная записка

Любой преподаватель физики заинтересован в успехе своих студентов. Одна из необходимых предпосылок этого успеха – умение решать задачи. Данные методические рекомендации предназначены для обучающихся по профессии среднего профессионального образования Тракторист – машинист сельскохозяйственного производства.

В основу рекомендаций положена идея о том, что в ходе изучения разделов и

тем физики, акцент следует делать на формировании общих приемов выполнения заданий.

Новизна работы состоит в том, что все материалы, находящиеся в

весьма разрозненном виде собраны воедино, отредактированы, адаптированы

для удобства восприятия обучаемыми и представлены в одной папке.

Методическая папка помогает обеспечивать активное восприятие учебного материала, его самостоятельную проработку, создание связей с ранее изученным материалом, его закрепление, повторение и применение.

Все задачи направлены на активизацию мыслительных процессов обучаемых на уровне как логического, так и творческого мышления, а также на развитие их учебных умений. При этом они учитывают учебно-познавательные возможности и уровень развития учебных умений обучаемых, предполагают их посильное умственное напряжение.

Рабочее руководство помогает обучаемому в выделении существенного

материала из несущественного, второстепенного, направляет обучаемого на

самоконтроль.

При работе по методическим рекомендациям, по плану у обучаемых вырабатывается навык самостоятельной работы, умение, желание и возможность работать самому с любым материалом: незнакомый текст, эксперимент, задача, знакомый параграф, и при этом, что особенно важно, создается ситуация успеха

Таким образом, научное обоснование мероприятий, направленных на оптимизацию организации учебного труда и его условий в целях обеспечения наибольшей эффективности обучения в интересах всестороннего развития личности рассматривается в качестве необходимых условий высокой продуктивности процессов обучения.

Основная цель данного пособия:

1. Закрепить знания, полученные обучающимися при изучении дисциплины;

2. Научить использовать их в решении практических вопросов, связанных с сельскохозяйственным производством.

С помощью задач выясняются некоторые принципы устройства современной техники. Задачи учат студентов более эффективно использовать технику и технологию сельскохозяйственного производства, повышают агрофизические знания и навыки: обработка почвы, подготовка семян к посеву, уход за растениями, влияние различных стимуляторов на их всхожесть и произрастание. В пособии представлены задачи по технике безопасности и культуре обращения с различными устройствами, применяемыми в сельском хозяйстве, в быту.

Задачи классифицированы по разделам и степени трудности.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

1. Внимательно проанализируйте условие задачи, установите величины, которые требуется определить в задаче.

2. Сделайте краткую запись условия, переведя численные значения величин, данных в условии в систему СИ, и укажите единицы их измерения.

3. Сформулируйте все упрощающие предположения, которые необходимы для решения задачи.

4. При необходимости, сделайте рисунок, поясняющий условие задачи.

5. Выявите физические явления, которые описываются в задаче и запишите физические законы (уравнения), которые их объясняют.

6. Решите полученную систему уравнений относительно искомых физических величин

7. Проверьте полученное решение на соответствие размерности.

8. Проведите вычисления и оцените разумность полученного числового ответа. Проводя вычисления, помните, что числовые значения физических величин всегда являются приближенными и точность числового ответа не должна превышать точности величин, заданных в условии задачи.

Раздел 2. Молекулярная физика. Термодинамика

Тема 2.1. Основы молекулярно-кинетической теории

• Связь между термодинамической температурой Т (по шкале Кельвина) и

температурой t по Международной практической шкале (шкале Цельсия):

T = (t+273)K.

• Нормальные условия: t = 0;

где – объем 1-го моля идеального газа при нормальных условиях.

• Молярная масса:   ,

где – масса молекулы в килограммах, =6,022·– постоянная Авогадро.

• Количество молей вещества:ν =

где N – число молекул в данной массе газа m.

• Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа:

• Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс): P V = const, (при T = const и m = const)

где Р – давление газа, V- объем газа.

• Закон Шарля (изохорный процесс):

• Закон Гей-Люссака (изобарный процесс):

• Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева):

где R=8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.

• Основное уравнение молекулярно-кинетической теории: P = nkT , где – концентрация молекул газа; постоянная Больцмана.

Знать:

1. При каких условиях газ можно рассматривать как идеальный? Приведите примеры реального газа, по своим свойствам близкого к идеальному.

2. Какими параметрами характеризуется термодинамическая система?

3. Что понимают под состоянием термодинамического равновесия системы?

4. Запишите уравнение состояния идеального газа для произвольной массы газа.

5. Что называют изопроцессом? Какие вы знаете изопроцессы?

6. Изобразите графически, известные Вам, изопроцессы.

7. Что означает процесс выравнивания температуры в объеме газа с молекулярно-кинетической точки зрения?

8. От каких величин зависит средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа?

Ответьте на вопросы:

1. Известно, что скорость движения молекул составляет несколько сот метров в секунду. Почему же утечка газа по запаху обнаруживается не сразу?

( Направленное движение молекул задерживается их столкновениям).

1. Каково назначение жалюзи, устанавливаемых перед радиатором теплового двигателя?

(Регулируют поток воздуха для охлаждения).

1. Почему на передней поверхности резца и режущей кромки образуется нарост?

(При повышении температуры стружки прилипают к резцу).

1. Чем объяснить, что «вершки» в молоке быстрее отстаиваются в холодном помещении?

(При охлаждении скорость хаотического движения частичек «вершков» уменьшается и они всплывают на верх).

1. Почему трудно отвинтить гайку, бывшую длительное время туго завинченной, хотя она выполнена из нержавеющей стали?

(Сварка поверхностей металла из-за диффузии)

1. В каких из названных ниже явлений основное значение имеет диффузия: а) выравнивание концентрации растворов; б) наличие одинакового состава воздуха на различной высоте от поверхности земли; в) растворение сахара в воде при перемешивании; г) углеродистая закалка инструментов; д) смешение песка с цементом?

(а, б, г)

1. Одинакова ли скорость течения масла в маслопроводах тракторов и автомобилей по всему их сечению?

(Нет. Силы сцепления между молекулами материала маслопровода и масла больше, поэтому скорость течения масла в центре течения больше)

1. Одинакова ли вязкость масла в подшипниках и картере двигателя внутреннего сгорания?

(В подшипниках вязкость масла меньше из-за трения и нагревания).

1. При одинаковой частоте вращения вала толщина слоя масла между валом и подшипником может быть различной. Почему?

(Чем больше вязкость, тем больше толщина слоя)

1. Как изменится сила трения при вращении коленчатого вала с увеличением частоты вращения?

(Сила трения уменьшается, так как увеличивается толщина масляного слоя).

Решите задачи:

1. Определите молярную массу воды и выразите ее в .

(18∙)

1. Молекулярный кислород содержит 5,418∙ молекул. Найдите его количество в молях.

(900 моль)

1. Какую массу в кг имеет 900 моль кислорода?

(≈29 кг)

1. Сколько молекул содержится при нормальных условиях в 0,4 кг метана?

(0,15∙)

1. Какое давление производит на стенки сосуда кислород, если средняя квадратичная скорость его молекул равна 2400 ?

(≈7,6∙ Па)

1. Определите температура газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна 1,6∙ Дж.

(7700 К)

1. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа при температуре равна 1,6∙ Дж. Определите значение энергии при -273 и 1000°С.

(0 Дж; ≈2,6∙ Дж)

1. Водород при 15℃ и давлении 0,133 МПа занимает объем 2 л. Газ сжали до объема 1,5 л и температуру повысили до 30℃. Каким стало давление?

(≈0,19 МПа)

1. Имеется 12 л углекислого газа под давлением 9∙ Па и температуре 288 К. Найдите массу газа?

(≈0,2 кг)

1. При давлении 1,04 МПа объем воздуха 5 л. Найдите его объем при давлении 1 МПа.

(5,2 л)

1. В цилиндре под поршнем 10 л газ изобарно охлаждают от323 до 273 К. Каков объем охлажденного газа?

(≈8,5 л)

1. При заполнении баллона газом до давления 1,65∙ Па температура газа повысилась до 50℃. Найдите давление газа после охлаждения баллона до 20℃.

(≈15 МПа)

Тема 2.2. Основы термодинамики

• Изменение внутренней энергии идеального газа :, где R=8,31 – универсальная газовая постоянная.

• Первый закон термодинамики: ∆Q  ∆U  A,

• Изменение внутренней энергии при нагревании или охлаждении: U  c m T , где с – удельная теплоемкость, m – масса тела, T – изменение температуры.

• Изменение внутренней энергии при плавлении или затвердевании: ΔU  λm , где  – удельная теплота плавления.

• Изменение внутренней энергии при парообразовании или конденсации: ΔU  rm , где r – удельная теплота парообразования.

• Выделение внутренней энергии при сгорании вещества: ΔU  qm , где q – удельная теплота сгорания вещества (топлива).

Знать:

1. Что понимают под внутренней энергией системы? От каких величин она зависит? Укажите пути изменения внутренней энергии.

2. Запишите первый закон термодинамики для изохорного, изотермического, изобарного и адиабатного процессов?

3. В каких случаях изменение внутренней энергии системы равно количеству теплоты, подведенному к системе?

4. В каких случаях изменение внутренней энергии системы равно внешней работе, совершенной над системой?

5. Что называют теплоемкостью системы?

6. Какой процесс называют адиабатным? Приведите примеры таких процессов.

7. Каков физический смысл R?

Ответьте на вопросы:

1. В картофелеуборочных комбайнах комья земли разрушаются, проходя между резиновыми баллонами, надутыми воздухом. Почему используют именно такое устройство?

(Меньше травмируются картофельные клубни)

1. Может ли засорение отверстия в крышке топливного бака стать причиной прекращения подачи топлива в систему питания двигателя?

(Может. Падает давление воздуха в баке)

1. Какая из машин скорее начнет буксовать на грунтовой дороге во время дождя – колесный трактор или автомобиль?

(Автомобиль. В его шинах давление больше. Уменьшается сила сцепления)

1. Что целесообразнее сделать перед началом работы на тракторе: немного не докачать воздух в камеры шин или перекачать его?

(Недокачать. Повысится давление при езде)

1. Как и почему изменяются параметры газа в шинах трактора и автомобиля во время их движения?

(Возрастают Т, V, Р)

1. Можно ли повысить температуру тела, не сообщая ему количество теплоты?

(Можно, совершив над телом работу и тем самым повысив его внутреннюю энергию.) 

1. Какие двигатели одинаковой мощности должны иметь большие маховики – дизельные или карбюраторные?

(Дизельные. Они должны иметь запас кинетической энергии для обеспечения такта сжатия и более равномерного вращения коленчатого вала)

1. Как влияет на увеличение эффективной мощности теплового двигателя увеличение его литража?

(Поступление горючей смеси в единицу времени увеличивается. Возрастает эффективная мощность.)

1. Из-за отсутствия дизельного топлива тракторист решил использовать бензин. Каковы будут последствия?

(Бензин сгорает быстрее. Возникает детонация. Теряется мощность. Кольца и поршень изнашиваются быстрее)

1. При алюминиевых головках блока цилиндров степень сжатия может быть больше, чем при чугунных. Почему?

(Алюминий более теплопроводен, поэтому до момента самовоспламенения горючей смеси давление будет возрастать больше)

Рекомендации к решению задач

1. Определите тип процесса, выберите соответствующие выражения для теплоемкостей и работы.

2. При вычислении изменения внутренней энергии идеального газа в заданном процессе определите число молей газа, изменение температуры.

3. Для нахождения недостающих параметров (Р,V, Т, m) воспользуйтесь уравнением Клапейрона-Менделеева.

Решите задачи:

1. Определите давление газов в цилиндре двигателя в конце сгорания горючей смеси, если ее начальная температура 300℃, а конечная 1900℃. Считать V= const, Па.

(≈9,5∙ Па)

1. При автогенной сварке используют сжатый кислород. В баллоне вместимостью 20 л находится кислород при 17℃ под давлением 1,03∙ Па. Какова масса кислорода?

(2,7 кг)

1. В карбюраторных двигателях степень сжатия горючей смеси составляет примерно 5. Температура ее к концу сжатия достигает 300℃. Определите давление к концу сжатия, если вначале оно было 8∙ Па. Начальную температуру смеси принять равной 27℃.

(7,6∙ Па)

1. Какую работу совершает газ, расширяясь изобарически при давлении2∙ Па от объема 1,6 л до2,5 л?

(0,2 Дж)

1. При изотермическом сжатии от 6 л до 2 л давление менялось от 0,3 до 0,9 МПа. Постройте изотерму газа и по ней определите работу внешней и работу газа.

(±20 кДж)

1. Идеальный тепловой двигатель получает от нагревателя в каждую секунду 7200 кДж количества теплоты и отдает в холодильник 6400 кДж. Каков КПД двигателя?

(≈11%)

1. Каков КПД тракторного двигателя, если расход дизельного горючего 216 г на 1 кВт∙ч?

(≈42%)

1. Мощность двигателя автомобиля 50 кВт. Определите расход бензина в 1 ч, если КПД двигателя 25%.

(22 )

Тема 2.3. Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы

• Относительная влажность воздуха: φ= , где ρ= -абсолютная влажность воздуха, - плотность водяного пара при данной температуре.

• Коэффициент поверхностного натяжения воды: σ=, где h – высота подъема жидкости в капилляре, ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения ≈ 9,8 , d – диаметр капилляра.

• Механическое напряжение: Па,

• Относительное удлинение: ,

• Модуль Юнга – модуль упругости: Па,

• Закон Гука:

Знать:

1. Насыщенный и ненасыщенный пар. Свойства паров.

2. Влажность воздуха. Точка росы.

3. Поверхностное натяжение жидкости. Капиляры.

Ответьте на вопросы:

Рекомендации к решению задач

1. В плотных почвах корни растут медленно. Однако это же наблюдается и в слишком рыхлых почвах. Почему?

(В плотной почве силы сцепления между частицами почвы. В рыхлой почве корни плохо соприкасаются с почвой и им не хватает питания.)

1. Во время интенсивной сушке семян многие из них трескаются. Почему?

(Внутри зерна резко возрастает давление паров жидкости, и это приводит к разрыву зерновой пленки)

1. О время жары листья и цветы многих растений сворачиваются, а потом «оживают». Почему?

(Поверхность листьев уменьшается. Меньше испаряется жидкости.)

1. С какой целью весной после посева почву уплотняют?

(Уменьшаются поры. Испарение влаги замедляется.)

1. Во время образования в карбюраторе горючей смеси ее температура понижается. Почему?

(Горючее частично испаряется)

1. С какой целью в пробке радиатора системы охлаждения делают впускной и выпускной клапаны?

(Предотвращение вредных последствий изменения давления в системе)

1. Известно, что на одном и том же поле на некоторые растения ложится роса, а на другие нет. Почему?

(Из-за разной удельной теплоемкости и теплопроводности растений их температура различна)

1. Отвал плуга покрыли пластиком, который не смачивается. Изменится ли тяговое сопротивление плуга при пахоте переувлажненных почв?

(Тяговое сопротивление плуга уменьшится, так как уменьшится сила сцепления отвала с почвой)

1. Когда производят боронования пара: до дождя или после?

(После дождя, чтобы нарушить капиллярность верхнего слоя и сохранить влагу)

1. Почему рамы сельскохозяйственных машин изготавливают из тавровой стали?

(Уменьшается деформация изгиба под действием силы тяжести, возрастает прочность)

Решите задачи:

1. В 5 воздуха содержится 80 г водяного пара. Определите абсолютную влажность воздуха.

(0,016 )

1. Температура воздуха 16℃, точка росы 6℃. Какова абсолютная и относительная влажность воздуха?

(7 , ≈52%)

1. При температуре воздуха 30℃ относительная влажность воздуха равна 60%. Какова абсолютная влажность воздуха?

(≈18)

1. Для прорастания семян огурцов в теплице нужно поддерживать температуру 30℃ и относительная влажность 90℃. Выполняется ли это требование, если влажный термометр психрометра показывает 29℃, а сухой 30℃?

(Да) 5,4 м под действием нагрузки удлинилась на

1. На какую высоту поднимается вода в капилляре диаметром 1 мкм?

(≈30 м)

1. Найдите коэффициент поверхностного натяжения воды, если в капилляре диаметром 1 мм она поднимается на высоту 32,6 мм.

(≈80∙)

1. Груз весом 5 кН висит на тросе с диаметром поперечного сечения 28 мм. Определите механическое напряжение в тросе.

(≈8)

1. Проволока длиной 5,4 м подействием нагрузки удлинилась на 2,7 мм. Определите абсолютное и относительное удлинение проволоки.

(2,7 мм, 0,05%)

1. Абсолютное и относительное удлинения стержня равны соответственно 1 мм и 0,1%. Какой была длина недеформированного стержня?

(1 м)

1. Какой груз может быть подвешен на стальном тросе диаметром 3 см при запасе прочности, равном 10, если предел прочности стали 70

(≈50 кН)

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. – Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования/ В.Д. Дмитриева. – 5-е изд., стер. – М.: издательский центр «Академия», 2012.- 448 с.

2. Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. – М.: Форум – Инфра –М, 2011.

3. Сборник задач по физике. Учебное пособие для средних специальных учебных заведений. /Под ред. Р.А.Гладковой. - М.: Наука, 2011.

4. Сборник задач по физике с примерами решений. «Молекулярная физика и термодинамика. Электромагнетизм». Учебное пособие / В.Н. Александров, Н.Б. Виноградова,Е.А. Коротаева; Под ред. В.Н. Александрова. – М.: 2010г

5. Ф.И Качуров. Сборник задач и упражнений по физике для профтехучилищ. - Издательство Сборник задач и упражнений по физике для профтехучилищ. Москва. «Высшая школа» 1980г.

6. В.П. Демкович. Сборник задач и упражнений по физике для профтехучилищ. Москва. «Высшая школа» 1987г.

5