Новокузнецкий филиал-институт
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Факультет информационных технологий
Кафедра экологии и естествознания
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
(ЕН. Ф.03) ФИЗИКА
(код и название дисциплины по учебному плану специальности)
Для специальности 230102.65 Автоматизированные системы обработки информации и управления
(код и название специальности)
Цикл дисциплин учебного плана ЕН
(ОГСЭ, ЕН, ОПД, СД, ДС)
Компонент учебного плана:
федеральный
(федеральный, региональный, вузовский)
Формы обучения дневная, заочная, очно-заочная
Новокузнецк
Новокузнецкий филиал-институт
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Факультет информационных технологий
Кафедра экологии и естествознания
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
учебной дисциплины
ЕН. Ф.03 Физика
( шифр и наименование дисциплины по рабочему учебному плану ООП)
для специальности 230102.65 Автоматизированные системы обработки информации и управления
(код и название специальности, учебного плана)
для дневной, заочной, очно-заочной форм обучения
Составитель программы
, д. т.н., профессор
Новокузнецк, 2006
Данный учебно-методический комплекс разработан в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего образования по специальности 230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
Переработана в соответствии с требованиями Положения НФИ КемГУ об УМК дисциплины
«__31__» __август__ 200_6_ г. Протокол №_1_
Заведующий кафедрой _________________ ____
/подпись/ (Ф. И.О)
Рабочая программа согласована с выпускающими кафедрами
Кафедра | Специальность | Ф. И.О. заведующего кафедрой | Согласовано | |
Дата | подпись | |||
Систем автоматизации управления | Автоматизированные системы обработки информации и управления |
|
Рабочая программа одобрена методической комиссией математики и информационных технологий" href="/text/category/fakulmztet_matematiki_i_informatcionnih_tehnologij/" rel="bookmark">факультета информационных технологий
«__6__» __сентября__200_6_ г. Протокол №_1_
Председатель комиссии _________________ __ __
/подпись/ (Ф. И.О)
Лист-вкладка рабочей программы учебной дисциплины
Физика ЕН. Ф.03
шифр и название дисциплины
Дополнения и изменения в рабочей программе учебной дисциплины
на текущий учебный год
Учебный год | Группы по рабочему УП | Содержание изменений в разделах (наименования разделов и краткое содержание изменений) | Преподаватель, ведущий дисциплину (Ф. И.О., дата, подпись) | Изменения утверждены на заседании кафедры (дата, № протокола и подпись зав. кафедрой) | Изменения согласованы с выпускающей кафедрой (дата и подпись зав. кафедрой) |
2006-07 | А-05 | Утверждена вновь | Протокол № 1, 03.09.06 | ||
2007-08 | А-06 АОС-06 | Принята без изменений | Протокол № 1, 01.09.07 | ||
2008-09 | А-07 АОС-07 | Принята без изменений | Протокол № 1, 28.08.08 | ||
Пояснительная записка
Учебно-методический комплекс дисциплины Физика разработан в соответствии с требованиями ГОС ВПО 654600 по специальности 230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления».
1.Место и роль курса в системе дисциплин
Цель и задачи изучения дисциплины
Курс общей физики составляет основу теоретической подготовки студентов и выполняет важнейшую роль, поскольку является основой естественнонаучного мировоззрения о природе. Существенно, что становление такой картины мира требует осознания роли и места знаний в построении непротиворечивых представлений, понимания значения абстрагирования, установления доминирующих причинно-следственных связей и закономерностей. По своей сути этот курс является синтетическим, объединяющим знания различных областей естественных наук и фундаментальной базой для успешного усвоения и практического применения инженерно-технических знаний. Он знакомит с основными достижениями современной физики, позволяет ориентироваться в потоке научной и технической информации.
Изучение общей физики подразумевает не только, а может и не столько, прослушивание курса лекций и проработку материала по учебнику, но главное - самостоятельное исследование физических объектов, причем самостоятельное решение задач играет особую роль. При этом не только вырабатывается принципиальная важная последовательность навыков, но создается стереотип распознавания физических закономерностей в окружающем мире, который приводят к осознанию доминирующих законов природы, и, в конечном счете, к пониманию естественнонаучной картины мира.
Требования ГОС ВПО 654600 к содержанию дисциплины приведены в Таблице 1. Соответствие требований ГОС ВПО 654600 специальности 230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» к содержанию Физики и разделов учебно-тематического плана УМК дисциплины приведены в Таблице 2.
Выписка из ГОС ВПО 654600 специальности 230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»
Таблица 1.
ЕН. Ф.03. | Физика | 402 |
Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, инерциальные и неинерциальные системы отсчета, кинематика и динамика твердого тела, жидкостей и газов, основы релятивистской механики; физика колебаний и волн: гармонический и ангармонический осциллятор, свободные и вынужденные колебания, интерференция и дифракция волн; молекулярная физика и термодинамика: три начала термодинамики, термодинамические функции состояния, классическая и квантовая статистики, кинетические явления, порядок и беспорядок в природе; электричество и магнетизм: электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе, электрический ток, уравнение непрерывности, уравнения Максвелла, электромагнитное поле, принцип относительности в электродинамике; оптика: отражение и преломление света, оптическое изображение, волновая оптика |
Соответствие требований ГОС ВПО 654600 специальности 230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» к содержанию Физики и разделов учебно-тематического плана дисциплины.
Таблица 2.
Разделы и содержание требований ГОС ВПО по Физике | Разделы учебно-тематического плана |
Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, инерциальные и неинерциальные системы отсчета, кинематика и динамика твердого тела, жидкостей и газов, основы релятивистской механики; | 1. Кинематические представления в механики Общие физические представления о движении, пространстве и времени. 2. Кинематика поступательного и вращательного движения материальной точки. 3. Динамические принципы механики. Уравнения состояния и движения физической системы. Фундаментальные и нефундаментальные взаимодействия и силы. Работа, мощность, энергия потенциальная и кинетическая. Теорема Кенига. 4. Вращательное движение твердого тела. Основное уравнение динамики вращения. Момент инерции. Работа и энергия при вращении. Момент импульса. 5. Законы сохранения в механике Законы сохранения импульса, энергии, момента импульса. 6. Экспериментальные основы специальной теории относительности. Опыт Майкельсона и Морли. Постулаты Эйнштейна. Преобразование координат Лоренца. Преобразование масс. Преобразование скоростей. Связь между массой и энергией. Инвариант Минковского и др. |
физика колебаний и волн: гармонический и ангармонический осциллятор, свободные и вынужденные колебания, интерференция и дифракция волн;
| 19. Физика колебаний и волн. Свободные электромагнитные и механические колебания, гармонический и ангармонический осциллятор. Затухающие электромагнитные и механические колебания, параметры затухания. Вынужденные электромагнитные и механические колебания, цепи переменного тока. Уравнения и типы электромагнитных и механических волн. |
молекулярная физика и термодинамика: три начала термодинамики, термодинамические функции состояния, классическая и квантовая статистики, кинетические явления, порядок и беспорядок в природе;
| 7. Молекулярная физика. Макроскопические состояния. Основное уравнения состояния макроскопических систем и их внутренняя энергия. 8. Статистические распределения. Распределения молекул в одномерном силовом поле (Больцмана). Распределение молекул по скоростям (Максвелла). 9. Реальные газы Уравнения и изотермы Ван-дер-Ваальса. 10. Основы равновесной термодинамики. Тепловые процессы. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики. Энтропия. Статистическое толкование энтропии. 11. Основы термодинамики неравновесных процессов. Явления переноса. Кинетические потоки. Диффузия и теплопроводность. Уравнения баланса для энтропии. Теорема Онзагера. Неравновесность и упорядочение. Синергетика. |
электричество и магнетизм: электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе, электрический ток, уравнение непрерывности, уравнения Максвелла, электромагнитное поле, принцип относительности в электродинамике;
| 12. Электростатика. Электростатические поля в вакууме и диэлектриках. Свойства электрических зарядов и полей. Напряженность, вектор электростатической индукции и потенциал электрического поля. Теорема Остроградского - Гаусса и ее применения. 13. Диэлектрики в электрических полях. Векторы E и D, диэлектрики с особыми свойствами. 14. Проводники в электрических полях Электроемкость, конденсаторы. Энергия электрического поля. 15. Электропроводность. Законы постоянного тока. Сверхпроводимость. Разветвленные электрические цепи. Классическая электронная теория электропроводности. 16. Магнитостатика. Магнитное поле постоянного тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применения. Действие магнитного поля на заряды и проводники с током. Силы Ампера и Лоренца. Принцип относительности в электродинамике. Теорема о циркуляции вектора В и ее применения 17. Магнитное поле в веществе. Магнетики, их свойства и применение. 18. Уравнения Максвелла. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Материальные уравнения. Квазистационарные токи и соответствующие им уравнения. |
оптика: отражение и преломление света, оптическое изображение, волновая оптика, принцип голографии, квантовая оптика, тепловое излучение, фотоны;
| 24. Теория теплового излучения нагретых тел. Квантовая оптика. Формула Планка. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры. 25. Нерезонансное взаимодействие фотонов с веществом. Фотоэлектрические явления, эффект Комптона, рождение электронно-позитронных пар. |
атомная и ядерная физика: корпускулярно-волновой дуализм в микромире, принцип неопределенности, квантовые уравнения движения, строение атома, магнетизм микрочастиц, молекулярные спектры, электроны в кристаллах, атомное ядро, радиоактивность, элементарные частицы; современная физическая картина мира: иерархия структур материи, эволюция Вселенной, физическая картина мира как философская категория; | 26. Строение атомов и атомные спектры. Опытные данные о строении атомов и их спектрах, теория строения атомов и спектров их излучения. Формула Бальмера-Ридберга. Постулаты Бора. Рентгеновские спектры. 27. Основы квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм. Закономерности описания движения микрочастиц в квантовой механике. Волновая функция. Соотношение неопределенностей. Уравнения движения микрочастиц в квантовой механике (уравнение Шредингера, электрон в «потенциальном ящике», туннельный эффект, квантовый осциллятор). Квантовая теория теплоемкости. Закон Дюлонга и Пти. Теория Эйнштейна, теория Дебая. 28. Квантовая статистика. Квантовые числа, принцип Паули Квантовая статистика электронов, функции распределения для электронов. Квантовые закономерности электронной структуры атомов, периодическая таблица Менделеева, природа химической связи элементов. 29. Основы ядерной физики. Строение атомных ядер и ядерные силы. Виды и закономерности ядерных реакций. Способы исследования в ядерной физике. Элементарные частицы, классификация и свойства. Античастицы. 30. Физика конденсированного состояния. Конденсированное состояние вещества. Строение и свойства жидкостей. Основные виды и свойства твердых тел. Виды межатомных связей в твердых телах. Статистика Ферми для электронов. Зонное строение проводников, диэлектриков и полупроводников, объяснение их электрических и тепловых свойств. |
физический практикум. |
2. Требования к уровню усвоения программы,
формы контроля
В результате изучения курса студенты знакомятся с современным методом обучения физики, основой которого является единство физики как науки и глубокая взаимосвязь различных ее разделов. Метод уделяет главное внимание изучению основных принципов физики и закладывает прочную основу фундаментальных знаний и тем самым способствует освоению в дальнейшем самых разнообразных профессий.
В результате обучения студент должен:
знать
- вывод основных физических законов из основных принципов и математические уравнения их описывающие;
уметь
- применять основные методы индукции и дедукции для решения физических задач;
При решении задач необходимо выполнить следующее.
1. Указать основные законы и формулы, на которых базируется решение задачи, дать словесную формулировку этих законов, объяснить буквенные обозначения, употребляемые при написании формул.
2. Дать чертеж, поясняющий содержание задачи ( в тех случаях когда это необходимо).
3. Решение задачи сопроводить краткими, но исчерпывающими пояснениями.
4. Решить задачу в общем виде, т. е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условиях задачи и взятых из таблиц.
5. Подставить в рабочую формулу размерности или сокращенные обозначения единиц измерения величин и убедиться в правильности размерности искомой величины.
6. Выразить все величины входящие в формулу в единицах Международной системы единиц (СИ).
7. Подставить в полученную формулу численные значения и провести вычисления.
8. Оценить правдоподобность полученных значений.
- уметь провести и оформить результаты лабораторных физических исследований;
Изучив теорию явления, студент обязан подготовить заготовку отчета лабораторной работы, которая включает:
1. Название лабораторной работы.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Основные теоретические зависимости и проверяемые соотношения.
5. Схему установки.
После допуска к выполнению лабораторной работе студент обязан:
6. Провести измерение результатов и их обработку.
7. Оценить доверительный интервал.
8. Оценить надежность полученных результатов и сделать выводы.
9. Защитить лабораторную работу.
Предусмотренные для проверки результатов усвоения дисциплины формы контроля приведены в таблице 6.
Формы проверки результатов усвоения дисциплины.
Таблица 3
Вид контроля | Формы контроля | ||
Очная форма обучения | Заочная форма обучения | ||
Полная Программа | Сокращенная программа | ||
Текущий контроль: – знаний, – умений Промежуточный контроль | Устные экспресс - опросы по темам на практических занятиях решение задач на практических занятиях. Шесть письменных семестровых индивидуальных домашних заданий - работ (48 задач) 6 лабораторных работ по разделам физики Письменные коллоквиумы по механики, специальной теории статистики, электромагнетизму, колебаниям и волнам | Выполнение контрольных работ по разделам и их защита. – | |
Итоговый контроль | Экзамен | Экзамен | Экзамен |
Знания и умения студентов при текущем и промежуточном и итоговом контроле на дневном отделении оцениваются на «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно», выполнение контрольной работы на заочном (ускоренном) отделении оценивается на «зачтено», «не зачтено», а экзамен оценивается также как и на дневном отделении.
Итоговая оценка знаний и умений по дисциплине на дневном отделении складывается из четырех частей:
· ответа на 2 теоретических вопроса ;
· решения задачи;
· дополнительного вопрос
Критерии оценки знаний студентов по дисциплине:
· - «отлично» - выставляется студенту, показавшему всесторонние, систематизированные, глубокие знания учебной программы дисциплины и умение уверенно применять их на практике при решении конкретных задач;
· - «хорошо» - выставляется студенту, показавшему полные знания учебной программы, но допустившему неточности при ответе или решении задачи
· - «удовлетворительно» - выставляется студенту, показавшему фрагментарный, разрозненный характер знаний, при этом он владеет основными разделами учебной программы, необходимыми для дальнейшего обучения и может применять полученные знания по образцу в стандартной ситуации;
· - «неудовлетворительно» - выставляется студенту, ответ которого содержит существенные пробелы в знании основного содержания учебной программы дисциплины и не умеющего использовать полученные знания при решении практических задач.
3 Организация обучения по дисциплине
Изучение курса физики предусмотрено учебным планом очной формы обучения в 3-х семестрах (4, 5, 6), очно-заочной формы обучения по сокращенной программе в 2-х семестрах (3, 4). Количество часов по семестрам, видам работ и формы контроля приведены в таблице 4.
Таблица 4
Семестр учебного плана | Форма контроля | Всего часов | Аудиторных занятий (час.) | СРС | ||
Лекц. | Лабор. | Практ. | ||||
Очная форма обучения | ||||||
3 | Экз. | 200 | 36 | 36 | 18 | 110 |
4 | Экз. | 122 | 34 | 16 | 72 | |
5 | Экз. | 80 | 18 | 18 | 44 | |
Очно-заочная форма обучения (сокращенная программа) | ||||||
3 | Экз. | 202 | 26 | 10 | 24 | 142 |
4 | Экз. | 200 | 26 | 10 | 24 | 140 |
3.1 Учебно-тематический план дисциплины
Очная форма обучения
Таблица 5.
№ | Название и содержание разделов, тем, модулей | Объем часов | Примечания, дополнительные указания, методические материалы, технические средства и др., необходимые для учебной работы | ||||
Общий | Аудиторная работа | Самостоятельная работа | |||||
Лекции | Практические (или семинарские) занятия | Лабораторные занятия | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
1 | Вводная лекция. Предмет физики. Методы физического познания, физические опыты, обработка результатов экспериментов | 8 | 2 | 2 | 4 | ||
2 | Физические основы механики Кинематические представления в механики Общие физические представления о движении, пространстве и времени. Кинематика поступательного и вращательного движения материальной точки. | 6 | 3 | 1 | 2 | ||
3 | Динамические принципы механики Уравнения состояния и движения физической системы. Фундаментальные и нефундаментальные взаимодействия и силы. Работа, мощность, энергия потенциальная и кинетическая. Теорема Кенига. | 9 | 2 | 2 | 1 | 4 | |
4 | Вращательное движение твердого тела Основное уравнение динамики вращения. Момент инерции. Работа и энергия при вращении. Момент импульса. | 4 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
5 | Законы сохранения в механике Законы сохранения импульса, энергии, момента импульса | 5 | 2 | 2 | 1 | 1ч. Сдача коллоквиума | |
6 | Экспериментальные основы специальной теории относительности. Опыт Майкельсона и Морли. Постулаты Эйнштейна. Преобразование координат Лоренца. Преобразование масс. Преобразование скоростей. Связь между массой и энергией. Инвариант Минковского. И др | 6 | 2 | 4 | 1ч. сдача коллоквиума | ||
7 | Молекулярная физика. Макроскопические состояния. Основное уравнения состояния макроскопических систем и их внутренняя энергия. | 13 | 4 | 1 | 8 | ||
8 | Статистические распределения. Распределения молекул в одномерном силовом поле (Больцмана). Распределение молекул по скоростям (Максвелла). | 10 | 3 | 1 | 2 | 4 | |
9 | Реальные газы Уравнения и изотермы Ван-дер-Ваальса | 10 | 4 | 1 | 2 | 2 | |
10 | Основы равновесной термодинамики. Тепловые процессы. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики. Энтропия. Статистическое толкование энтропии.. | 8 | 3 | 1 | 2 | 2 | |
11 | Основы термодинамики неравновесных процессов. Явления переноса. Кинетические потоки. Диффузия и теплопроводность. Уравнения баланса для энтропии. Теорема Онзагера. Неравновесность и упорядочение. Синергетика. | 11 | 4 | 2 | 2 | 3 | |
12 | Электростатика. Электростатические поля в вакууме и диэлектриках. Свойства электрических зарядов и полей. Напряженность, вектор электростатической индукции и потенциал электрического поля. Теорема Остроградского - Гаусса и ее применения | 17 | 3 | 2 | 2 | 10 | |
13 | Диэлектрики в электрических полях. Векторы E и D, диэлектрики с особыми свойствами | 10 | 4 | 1 | 5 | ||
14 | Проводники в электрических полях Электроемкость, конденсаторы. Энергия электрического поля | 11 | 2 | 2 | 2 | 5 | |
15 | Электропроводность. Законы постоянного тока. Сверхпроводимость. Разветвленные электрические цепи. Классическая электронная теория электропроводности | 14 | 3 | 2 | 2 | 7 | |
16 | Магнитостатика. Магнитное поле постоянного тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применения. Действие магнитного поля на заряды и проводники с током. Силы Ампера и Лоренца. Принцип относительности в электродинамике. Теорема о циркуляции вектора В и ее применения | 17 | 4 | 4 | 2 | 7 | |
17 | Магнитное поле в веществе. Магнетики, их свойства и применение | 10 | 1 | 1 | 2 | 6 | |
18 | Уравнения Максвелла Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Материальные уравнения. Квазистационарные токи и соответствующие им уравнения. | 12 | 3 | 2 | 7 | ||
19 | Физика колебаний и волн Свободные электромагнитные и механические колебания, гармонический и ангармонический осциллятор. Затухающие электромагнитные и механические колебания, параметры затухания. Вынужденные электромагнитные и механические колебания, цепи переменного тока. Уравнения и типы электромагнитных и механических волн. | 34 | 8 | 4 | 4 | 18 | |
20 | Интерференция световых волн. Теория интерференционных явлений. | 17 | 2 | 3 | 2 | 10 | |
21 | Дифракция волн. Теоретическое описание дифракционных явлений и методы их наблюдения. | 12 | 2 | 2 | 2 | 6 | |
22 | Поляризация электромагнитного излучения. Получение и применение поляризованного света | 18 | 1 | 2 | 2 | 13 | |
23 | Дисперсия света. Групповая скорость. Теория дисперсии. | 11 | 2 | 1 | 8 | ||
24 | . Теория теплового излучения нагретых тел. Квантовая оптика. Формула Планка. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры | 17 | 2 | 3 | 2 | 10 | |
25 | Нерезонансное взаимодействие фотонов с веществом. Фотоэлектрические явления, эффект Комптона, рождение электронно-позитронных пар | 12 | 2 | 2 | 2 | 6 | |
26 | Строение атомов и атомные спектры. Опытные данные о строении атомов и их спектрах, теория строения атомов и спектров их излучения. Формула Бальмера-Ридберга. Постулаты Бора. Рентгеновские спектры. | 14 | 2 | 2 | 2 | 8 | |
27 | Основы квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм. Закономерности описания движения микрочастиц в квантовой механике. Волновая функция. Соотношение неопределенностей. Уравнения движения микрочастиц в квантовой механике (уравнение Шредингера, электрон в «потенциальном ящике», туннельный эффект, квантовый осциллятор).Квантовая теория теплоемкости. Закон Дюлонга и Пти. Теория Эйнштейна, теория Дебая. | 19 | 3 | 3 | 13 | ||
28 | Квантовая статистика. Квантовые числа, принцип Паули Квантовая статистика электронов, функции распределения для электронов. Квантовые закономерности электронной структуры атомов, периодическая таблица Менделеева, природа химической связи элементов. | 7 | 3 | 2 | 2 | ||
29 | Основы ядерной физики. Строение атомных ядер и ядерные силы. Виды и закономерности ядерных реакций. Способы исследования в ядерной физике. Элементарные частицы, классификация и свойства. Античастицы. | 24 | 4 | 2 | 2 | 16 | |
30 | Физика конденсированного состояния. Конденсированное состояние вещества. Строение и свойства жидкостей. Основные виды и свойства твердых тел. Виды межатомных связей в твердых телах. Статистика Ферми для электронов. Зонное строение проводников, диэлектриков и полупроводников, объяснение их электрических и тепловых свойств. | 24 | 6 | 2 | 16 | ||
31 | Обзорная лекция | 2 | 1 | 2 | |||
ИТОГО: | 402 | 90 | 54 | 36 | 220 | 2 |
Очно-заочная форма обучения (сокращенная программа)
Таблица 6
Семестр | Номера разделов содержания дисциплины в соответствии с учебно-тематическим планом очной формы обучения | Объем часов | Примечания, дополнительные указания, методические материалы, технические средства и др., необходимые для учебной работы | ||||
Общий | Аудиторная работа | Самостоятельная работа | |||||
Лекции | Практические (или семинарские) занятия | Лабораторные занятия | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
3 | 1 - 19 | 202 | 26 | 26 | 10 | ||
Контрольная работа | 142 | ||||||
Экзамен | |||||||
4 | 19 - 30 | 200 | 26 | 26 | 10 | ||
Контрольная работа | 140 | ||||||
Экзамен | |||||||
ИТОГО: | 402 | 52 | 52 | 20 | 282 |
3.2 Содержание курса
Введение
Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Связь физики с культурой, философией и другими науками.
Часть 1. Физические основы классической механики
Механическое движение как простейшая форма движения материи. Представления о свойствах пространства и времени, лежащие в основе классической (Ньютоновской) механики. Элементы кинематики материальной точки. Скорость и ускорение точки как производные радиуса-вектора по времени. Нормальное и тангенциальное ускорение. Радиус кривизны траектории. Поступательное движение твердых тел.
Динамика материальной точки и поступательное движение твердого тела. Закон инерции и инерциальные системы отсчета. Законы динамики материальной точки и системы материальных точек. Внешние и внутренние силы. Центр масс механической системы и закон его движения (Теорема Кенига). Закон сохранения импульса. Работа переменной силы мощность. Кинетическая энергия механической системы и ее связь с работой внешних и внутренних сил приложенных к системе.
Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Закон инерции и инерциальные системы отсчета. Законы динамики материальной точки и системы материальных точек. Внешние и внутренние силы. Центр массы (центр инерции) механической системы и закон его движения. Закон сохранения импульса.
Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Работа переменной силы. Кинетическая энергия механической системы и ее связь с работой внешних и внутренних сил, приложенных к системе.
Поле как форма материи, осуществляющая силовое взаимодействие между частицами вещества. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия материальной точки во внешнем силовом поле и ее связь с силой, действующей на материальную точку. Понятие о градиенте скалярной функции координат. Поле центральных сил. Потенциальная энергия системы. Закон сохранения механической энергии. Диссипация энергии. Закон сохранения и превращение энергии как проявление неуничтожимости материи и ее движения. Применение закона сохранения энергии к столкновению упругих и неупругих тел.
Элементы кинематики вращательного движения. Угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейными скоростями и ускорениями точек вращающегося тела. Момент силы и момент импульса механической системы. Момент силы относительно оси. Момент импульса тела относительно неподвижной оси вращения. Момент инерции тела относительно оси. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси. Кинетическая энергия вращающегося тела. Закон сохранения момента импульса и его связь с изотропностью пространства.
Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.
Часть 2. Элементы специальной (частной) теории относительности
Преобразования Галилея. Механический принцип относительности. Опыт Майкельсона и Морли. Постулаты специальной теории относительности. Преобразование Лоренца. Понятие одновременности. Относительность длин и промежутков времени. Интервал между событиями и его инвариантность по отношению к выбору инерциальной системы отсчета как проявление взаимосвязи пространства и времени. Релятивистский закон сложения скоростей. Релятивистский импульс. Основной закон релятивистской динамики материальной точки. Релятивистское выражение для кинетической энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Энергия связи системы. Соотношение между полной энергией и импульсом частицы. Границы применимости классической (Ньютоновской) механики.
Основные идеи общей теории относительности.
Часть 3. Основы молекулярной физики и термодинамики
Опытные газовые законы. Уравнение состояния идеального газа. Вывод уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления и его сравнение с уравнением Клайперона –Менделеева. Средняя кинетическая энергия молекул. Скорости газовых молекул. Опыт Штерна. Распределение молекул по скоростям – уравнение Максвелла. Средне-квадратичная, вероятная и среднеарифметические скорости молекул. Барометрическая формула – распределение Больцмана для частиц в поле потенциальных (консервативных) сил. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул. Вакуум. Явления переноса в термодинамических неравновесных системах. Опытные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Молекулярно-кинетическая теория этих явлений.
Реальные газы. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Эффективный диаметр молекул. Уравнения состояния реальных газов. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Физический смысл констант Ван-дер-Ваальса. Идеальные и реальные изотермы Ван-дер-Ваальса. Критические состояния вещества - фазовые переходы. Внутренняя энергия реального газа.
Термодинамический метод исследования. Термодинамические параметры. Равновесные состояния и процессы, их изображение на термодинамических диаграммах. Внутренняя энергия идеального газа. Работа газа при изменении его объема. Количество теплоты. Теплоемкость. Первое начало термодинамики и его применение к изопроцессам и адиабатному процессу в газах. Зависимость теплоемкости от изопроцессов в газах - формула Майера.
Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его КПД для идеального газа. Второе начало термодинамики. Независимость КПД цикла Карно от природы рабочего тела. Энтропия. Энтропия идеального газа. Статистическое толкование второго начала термодинамики. Формула Больцмана.
Часть 4. Электростатика
Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Сила Кулона. Основные характеристики электростатического поля - напряженность и потенциал. Напряженность как градиент потенциала. Расчет электростатических полей методом суперпозиции. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского - Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Остроградского - Гаусса к расчету поля. Электрическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Типы диэлектриков. Электронная, ориентационная и ионная поляризации. Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость вещества. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость среды. Вычисление напряженности поля в диэлектрике. Сегнетоэлектрики.
Проводники в электрическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике. Электроемкость уединенного проводника. Конденсаторы. Энергия заряженного проводника, конденсатора и системы проводников. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.
Часть 5. Постоянный электрический ток.
Постоянны электрический ток, его характеристики и условия существования. Вывод закона Ома в дифференциальной форме. Закон Ома в интегральной форме. Разность потенциалов, электродвижущая сила, напряжение. Правила Кирхгофа для тока.
Часть 6. Электромагнетизм
Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Ампера. Магнитное поле тока. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле кругового тока. Магнитный момент витка с током. Вихревой характер магнитного поля. Закон полного тока (циркуляция вектора магнитной индукции) для магнитного поля в вакууме и его применение к расчету магнитного поля тороида и длинного соленоида. Действие магнитного поля на движущий заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Эффект Холла. МГД - генератор. Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток. Теорема Остроградского – Гаусса. Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.
Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции и его вывод из закона сохранения энергии. Явление самоиндукции. Индуктивность. Токи при замыкании и размыкании цепи. Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Энергия системы проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля.
Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков. Намагниченность. Микро - и макротоки. Элементарная теория диа - и парамагнетизма. Магнитная восприимчивость вещества и ее зависимость от температуры. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Опыты Столетова. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри. Домены. Спиновая природа ферромагнетизма.
Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной и дифференциальной форме.
Часть 7 . Механические и электромагнитные колебания и волны
Гармонические механические и электромагнитные колебания и их характеристики. Кинематические характеристики гармонических механических колебаний. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний механических и электромагнитных колебаний. Математический и физический маятники. Колебательный контур. Дифференциальное уравнение затухающих механических и электромагнитных колебаний и его решение. Логарифмический декремент затухания. Дифференциальное уравнение вынужденных механических и электромагнитных колебаний и его решение. Резонанс. Резонанс тока. Энергия гармонических колебаний. Сложение колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.
Волновые процессы. Механизм образования механических волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Синусоидальные (гармонические) волны. Уравнение бегущей волны. Длина волны и волновое число. Волновое уравнение. Фазовая скорость и дисперсия волн. Энергия волны. Вектор Умова. Принцип суперпозиции волн и границы его применимости. Волновой пакет. Групповая скорость. Когерентность.
Интерференция волн. Образование стоячих волн. Уравнение стоячей волны.
Электромагнитные волны. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Основные свойства электромагнитных волн. Энергия электромагнитной волны. Поток энергии. Вектор Умова - Пойтинга. Излучение диполя.
Часть 8. Волновая оптика
Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Оптическая длина пути. Интерференция света в тонких пленках. Интерферометры. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон. Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция Фраунгофера, дифракция Френеля. Дифракционная решетка. Дифракция на объемных решетках. Формула Вульфа-Брегга. Голография. Дисперсия света. Области нормальной и аномальной дисперсии. Электронная теория дисперсии света. Эффект Доплера. Излучение Вавилова - Черенкова. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Одноосные кристаллы. Поляроиды и поляризационные призмы. Закон Малюса. Интерференция поляризованных лучей.
Часть 9. Квантовая природа излучения
Тепловое излучение. Черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон смещения Вина. Квантовая гипотеза и формула Планка. Оптическая пирометрия. Внешний фотоэффект и его законы. Фотоны-кванты энергии. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Масса и импульс фотона. Давление света. Опыты Лебедева. Квантовое и волновое объяснения давления света. Эффект Комптона и его теория. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
Часть 10. Элементы атомной физики и квантовой механики.
Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма свойств вещества. Формула де Бройля. Соотношение неопределенности как проявлении корпускулярно-волнового дуализма свойств материи. Волновая функция и ее статистический смысл. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Свободная частица. Туннельный эффект. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме».Квантование энергии и импульса частицы. Понятие о линейном гармоническом осцилляторе. Атом водорода, квантовые числа. Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Понятие об энергетических уровнях. Спектры атомов и молекул. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Понятие о лазерах. Голография.
Часть 11. Элементы квантовой статистики и физики твердого тела.
Фазовое пространство. Элементарная ячейка. Плотность состояний. Понятие о квантовой статистики Бозе-Эйнштейна. Распределение фононов по энергиям. Теплоемкость кристаллической решетки. Квантовая статистика Ферми-Дирака. Энергия Ферми. Уровень Ферми.. Теория теплоемкости по Эйнштейну, по Дебаю. Сверхпроводимость. Магнитные свойства сверхпроводника.
Энергетические зоны в кристаллах. Распределение электронов по энергетическим зонам. Валентная зона, зона проводимости, запрещенная зона. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Эффективная масса электрона в кристалле. Электронные и дырочные полупроводники. Контактные явления. Контакт электронного и дырочного полупроводника (р-п –переход) и его вольт - амперная характеристика. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Люминесценция твердых тел.
Часть 12. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.
Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое числа.. Момент импульса ядра и его магнитный момент. Состав ядра. Нуклоны. Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил.
Закономерности и происхождение альфа-, бета - и гамма излучений атомных ядер. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерные реакции и законы сохранения. Цепные реакции. Ядерная энергетика. Термоядерные реакции. Проблемы управления термоядерными реакциями. Элементарные частицы. Их классификация и взаимная превращаемость. Четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Проблемы физики и астрофизики. Черная дыра. Белый карлик. Квантовомеханическое давление
4. Материалы, определяющие порядок и содержание проведения
промежуточных и итоговых аттестаций в соответствии
с требованиями ГОС
Материалы, определяющие порядок и содержание проведения промежуточных и итоговых аттестаций, соответствуют требованиям ГОС, приказам, распоряжениям и рекомендациям МО РФ, учебно-методического управления КемГУ и учебно-методического отдела НФИ КемГУ.
Контроль знаний студентов проводится по следующей схеме:
· промежуточная аттестация знаний и умений в течение семестра (формы приведены в таблице раздела 3);
· аттестация по итогам семестра в форме экзамена.
Материалы, определяющие порядок и содержание промежуточных и итоговой аттестаций, включают:
· Контрольные вопросы по темам дисциплины, вопросы на коллоквиум и экзамен,
· Фонд индивидуальных домашних заданий по темам (семестровые работы, размещен на сайте Staff папка физика ),
· Фонд тестовых заданий по блокам тем и по дисциплине в целом (в электронном виде на сайте Staff папка физика),
· Экзаменационные билеты,
· Методические указания в электронном виде к выполнению лабораторных работ. «Физикон» «Открытая физика»
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Список учебников и учебных пособий
Основная литература:
Основной учебник
1. Савельев общей физики. т.1,2,3. М., "Наука", гг.
2. Трофимова физики, М., "Высшая школа", 1999г.
Учебники:
3. , Яворский физики, т.1,2,3, М., "Высшая школа", 1979 .
4. Волькенштейн задач по общему курсу физики. М.,"Наука", 1985 и др.
5. , Воробьев по физике. М.,"Высшая школа", 1988
Дополнительная литература:
6. Стрелков . М., "Наука", 1975.
7. , Кикоин физика. М., "Наука", 1976 г.
8. "Наука", 1977г.
9. Фейнмановские лекции по физике, вып. 1-10, М., "Мир", 1977г.
10. Геворкян физики. М., "Высшая школа", 1986г.
11. Епифанов твердого тела. М., "Высшая школа", 1977 г.
12. , Дмитриев проведения упражнений по физике во втузе. М., "Высшая школа", 1981 г.
6. Вопросы к экзамену
.1.Предмет физики. 2.Методы физического познания, 3. Физические опыты, обработка результатов экспериментов. |
4.Общие физические представления о движении, пространстве и времени. 5.Кинематика поступательного и вращательного движения материальной точки. 6.Законы Ньютона. |
7.Уравнения состояния и движения физической системы. 8. Фундаментальные и нефундаментальные взаимодействия и силы. 9.Работа, мощность, энергия потенциальная и кинетическая. 10.Закон сохранения энергии. 11. Теорема Кенига. 12.Закон сохранения импульса. 13. Уравнение Мещерского для реактивного движения. |
14..Основное уравнение динамики вращения. Момент инерции. 15.Работа и энергия при вращении. 16.Закон сохранения момента импульса. 17.Законы сохранения при упругом и неупругом ударах. |
18. Элементы теории относительности. Принцип относительности Галилея. 19.Опыт Майкельсона-Морли. Постулаты Эйнштейна. 20. Преобразование координат Лоренца. 21.Преобразование масс в СТО. 22.Преобразование скоростей в СТО. 23.Связь между массой и энергией в СТО. 24.Преобразование длин в СТО. 25.Парадокс «Близнецов» в СТО. 26.Основное уравнение релятивистской механики. 27.Инвариант Минковского. 28.Опытные газовые законы |
29. Уравнение состояния идеального газа. 30.Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газа. 31.Распределение молекул по скоростям (Максвелла). 32.Распределения молекул в одномерном силовом поле (Больцмана). 33.Число столкновений, средняя длина свободного пробега молекул. |
34.Уравнения состояния макроскопических систем и их внутренняя энергия. |
35. Уравнения и изотермы Ван-дер-Ваальса |
36.. Тепловые процессы. Первое начало термодинамики. |
37. Энтропия. Второе начало термодинамики. |
38.Кинетические потоки. Диффузия и теплопроводность. 39.Уравнения баланса для энтропии. 40.Теорема Онзагера. 41.Неравновесность и упорядочение. 42. Синергетика. |
Электромагнетизм и оптика. |
43.Свойства электрических зарядов и полей. Закон сохранения заряда. 44. Напряженность и потенциал электрического поля. 45. Теорема Остроградского-Гаусса и ее применения. |
46.Вектора E и D, 47.Диэлектрики с особыми свойствами (самостоятельно, студенты готовят и защищают реферат) |
48.Электроемкость, конденсаторы. 49.Энергия электрического поля. |
50.Законы постоянного тока. 51.Правила Кирхгоффа.. 52.Разветвленные электрические цепи. 53.Классическая электронная теория электропроводности. |
54..Магнитное поле постоянного тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применения. 55. Действие магнитного поля на проводники с током. Сила Ампера. 56. Действие магнитного поля на заряды. Сила Лоренца. 57.Принцип относительности в электродинамике. 58.Теорема о циркуляции вектора В и ее применения. |
59.Магнетики, их свойства и применение. |
60.Уравнения Максвелла в интегральной форме. 61. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме. |
62.Свободные электромагнитные и механические колебания. 63.Гармонический и ангармонический осциллятор. 64.Затухающие электромагнитные колебания в контуре. 65. Затухающие механические колебания. 66.Логарифмический декремент затухания. 67.Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс тока 68.Вынужденные механические колебания. 69. Резонансные явления. .70. Волновые процессы. Уравнение луча. 71.Уравнение волны в дифференциальной форме. 72. Распространение упругой волны. 73.Стоячие волны. 74.Уравнения Максвелла для электромагнитных волн. 75.Интерференция волн. |
76.Волновая оптика. Теория интерференционных явлений. Опыт Юнга. Зеркала Френеля. 77.Интерференция в тонких пленках. 78.Дифракция света. Зоны Френеля. 79.Дифракция от отверстия. 80.Дифракция от щели. Дифракционная решетка. |
81.Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсия. 82. Электромагнитная теория дисперсии. Групповая скорость. 83.Поглощение света. Закон Бугера. |
84.Поляризованный свет. Призма Николя. Поляроиды. 85.Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. 86. Закон Малюса. 87.Двойное лучепреломление. 88.Интерференция поляризованного света. 89.Эффект Фарадея. |
90.Тепловое излучения нагретых тел. Единицы измерения теплового излучения. 91.Закон Кирхгоффа для теплового излучения. 92. Закон Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела. 93.Формула Релея-Джинса для абсолютно черного тела. УФ-катастрофа. 94.Квантовая гипотеза Планка. 95. Фотоэлектрические явления, закономерности внешнего фотоэффекта. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. 96.Эффект Комптона. 97. Опытные данные о строении атомов и их спектрах, формула Бальмера-Ритберга. 98.Теория строения атомов и спектров их излучения. по Бору. 99. Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де-Бройля. 100. Закономерности описания движения микрочастиц в квантовой механике. 101.Волновая функция ψ- функция. Условия нормировки ψ-функции. 102. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. 103. Уравнения движения микрочастиц в квантовой механике (уравнение Шредингера). 104.Свойства ψ-функции. 106. Электрон в «потенциальном ящике». 107. Туннельный эффект, (квантовый осциллятор). 108. Квантовые числа, принцип Паули. 109.Многоэлектронный атом. 110.Периодическая таблица . 111. Рентгеновские лучи. 112. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры. 113.Квантовая статистика электронов, функции распределения для электронов. 114.Квантовые закономерности электронной структуры атомов. 115.Твердое тело. .Статистика Ферми для электронов. Классическая и квантовая теория электропроводности твердых тел. 116.Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга и Пти. 117.Квантовая теория теплоемкости твердых тел. Теория Эйнштейна, теория Дебая. 118. Зонное строение проводников, диэлектриков и полупроводников, объяснение их электрических и тепловых свойств. 119. Строение атомных ядер и ядерные силы. 120. Виды и закономерности ядерных реакций. 121. Дефект массы и энергия связи ядра. 122.Способы исследования в ядерной физике. 123. Элементарные частицы, классификация и свойства. |
124 Конденсированное состояние вещества. 125.Строение и свойства жидкостей. 126.Основные виды и свойства твердых тел. 127.Виды межатомных связей в твердых телах. 128.Элементы астрофизики. Черные дыры. Квантово-механическое давление. |
