МПС РОССИИ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
4/1/1
Одобрено кафедрой Утверждено
«Физика и химия» деканом экономического
факультета
Ф И З И К А
Рабочая программа
для студентов I и II курсов
инженерно-технических специальностей
М о с к в а
Разработана на основании примерной учебной программы дисциплина « Физика», составленной в соответствии с требованиями минимума содержания к уровню подготовки специалистов всех технических специальностей.
Составители программы: доц., к. т.н.
старший преподаватель
доцент
доцент, к. ф.-м. н. Николаев
доцент, к. т. н. В. Яскеляин
Курс:1, 2 Семестры: 2,3
Всего часов: 550
лекционные занятия 32 часа
лабораторные занятия 36 часов
самостоятельная работа: 450 часов
зачеты: 2, 3 семестры
экзамены: 2, 3 семестры
@ Российский государственный открытый технический университет путей сообщения.
Пояснительная записка
I. Цель и задачи дисциплины.
Железнодорожный транспорт представляет собой отрасль народного хозяйства, в которой необычайно широко переплетаются и используются достижения и знания из самых различных областей науки и техники. В частности, курс физики играет исключительно важную роль в теоретической подготовке современного инженера-железнодорожника. Решение физических задач способствует формированию у студентов инженерного мышления, без которого невозможна успешная работа на транспорте, промышленных предприятиях и стройках.
Физические принципы и концепции лежат в основе современной естественнонаучной картины мира. Физика составляет фундамент естествознания.
Программа по дисциплине "Физика" входит в перечень основных программ подготовки инженеров железнодорожного транспорта. Она содержит вопросы фундаментального образования и развития личности. Программа дает панораму наиболее универсальных методов, законов и моделей современной физики, демонстрирует специфику рационального метода познания окружающего мира, формирует мировоззрение студентов и способствует физическому мышлению.
Программа отражает современное состояние физики, в ней сочетаются макро - и микроскопические подходы к изучению этой науки. В ее разделах вскрыты внутренние логические связи. Порядок расположения материала соответствует современной структуре физики.
Изучение целостного курса физики совместно с другими дисциплинами цикла способствует формированию у студентов современного естественнонаучного мировоззрения, освоению ими физического мышления.
В курсе физики студент должен
- изучить основные физические явления, овладеть фундаментальными понятиями, законами и теориями классической и современной физики, а также методами физического исследования;
- овладеть приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики;
- ознакомиться с современной научной аппаратурой, уметь выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах будущей деятельности.
Степень углубленного изучения отдельных разделов, содержание лекций, практических занятий, самостоятельной работы определяются лектором с учетом количества часов, отведенных на изучение физики, специфики инженерного направления и особенностей лабораторной базы в филиалах и УКП университета.
Элементы профессиональной направленности будущей деятельности инженеров отражаются в практических и лабораторных занятиях, в задачах контрольных работ.
Спецификой заочной формы обучения является самостоятельная, внеаудиторная, работа студентов над теоретическим курсом, поскольку отводимое на лекции учебное время используется на освещение наиболее сложных для усвоения разделов. В самостоятельную работу студентов входит подготовка к лабораторным занятиям, работа в дисплейном классе, выполнение 4-х контрольных работ и их защита, а также участие в текущих и предэкзаменационных консультациях.
Контроль текущей работы студентов над курсом "Физика" осуществляется путем защиты лабораторных и контрольных работ, работ в дисплейном классе и сдачи экзаменов.
II.Содержание программы
1 курс, второй семестр
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ
Физика как наука. Физика и естествознание. Роль физики в современной интеграции естественных наук, построении научной картины мира и формировании экологического мышления. Методы физического исследования. Эксперимент и теория в физических исследованиях. Единицы измерения и системы единиц. Основные единицы СИ.
Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Физические модели. Роль компьютера в современной физике. Общая структура и задачи курса физики при подготовке специалистов технического профиля.
Л.:[1, введ; 2,введ.; 3, введ.; 4, введ.]
=====================================================
Раздел 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
Предмет механики. Классическая и квантовая механика. Нерелятивистская и релятивистская классическая механика. Основные механические модели: материальная точка, абсолютно твердое тело, сплошная среда.
Л.:[2, гл.1; 3, гл 1; 9, гл 1; 4, гл 1.]
2.1. Кинематика материальной точки
Механическое движение как простейшая форма движения материи. Представления о свойствах пространства и времени, лежащие в основе классической механики. Пространственно-временные отношения. Системы отсчета. Скалярные и векторные величины.
Основные кинематические характеристики движения частиц: перемещение, скорость, ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорения. Кинематика движения по криволинейной траектории. Прямолинейное движение материальной точки.
Движение материальной точки по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение и их связь с линейными характеристиками движения. Поступательное и вращательное движение абсолютно твердого тела.
Л.:[2, гл. 1; 3, гл 1; 9, гл 1; 4, гл. 1]
2.2. Динамика материальной точки
и поступательного движения твердого тела
Понятие состояния частицы в классической механике. Основная задача динамики. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Взаимодействие материальных тел. Масса. Сила. Импульс материальной точки, системы материальных точек. Законы динамики материальной точки и системы материальных точек. Центр масс (инерции) системы материальных точек и закон его движения. Третий закон Ньютона. Современная трактовка законов Ньютона. Границы применимости классического способа описания движения.
Л.:[2, гл. 2; 3, гл.2; 9, гл 2; 4, гл. 2]
2.3. Законы сохранения в механике
Понятие замкнутой системы. Внешние и внутренние силы. Закон сохранения импульса. Реактивное движение.
Момент импульса. Момент силы. Закон сохранения момента импульса. Уравнение моментов.
Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Работа силы и ее выражение через криволинейный интеграл. Мощность.
Кинетическая энергия механической системы и ее связь с работой внешних и внутренних сил, приложенных к системе.
Консервативные и неконсервативные силы в механике Потенциальная энергия системы взаимодействующих тел. Потенциальная энергия материальной точки во внешнем силовом поле и ее связь с силой, действующей на материальную точку. Диссипация энергии. Внутренняя энергия.
Общефизический закон сохранения энергии. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.
Л.:[2, гл. 3; 3, гл 3; 9, гл 2; 4, гл. 3]
2.4. Принцип относительности в механике
Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Инварианты преобразования. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции. Гравитационная масса. Эквивалентность инертной и гравитационной масс.
Л.:[2, гл. 5; 3, гл. 7; 9, гл 3; 4, гл 7.]
2.5. Элементы релятивистской динамики (специальной теории относительности - СТО )
Принцип относительности в релятивисткой механике. Постулаты СТО. Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия. Релятивистский закон сложения скоростей. Относительность длин и промежутков времени.
Релятивистский импульс. Основной закон релятивистской динамики материальной точки. Релятивистское выражение для кинетической энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Энергия покоя. Полная энергия частицы. Четырехмерный вектор энергии - импульса частицы и закон его сохранения.
Л.:[2, гл.7; 3. гл. 7; 9, гл 3; 4, гл. 7.]
2.6. Элементы механики твердого тела.
Уравнения движения и равновесия твердого тела. Уравнение движения твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Вращательный момент. Гироскоп. Момент инерции тела относительно оси. Момент инерции твердых тел разной формы.
Кинетическая энергия твердого тела, совершающего поступательное и вращательное движения. Работа тела при вращательном движении.
Л.:[2, гл.4; 3, гл 4; 9, гл 3; 4, гл 4 .]
2.7. Элементы механики сплошных сред
Общие свойства жидкостей и газов. Кинематическое описание движения жидкости. Векторные поля. Поток и циркуляция векторного поля. Идеальная жидкость. Трубки тока. Уравнения движения и равновесия жидкости. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли.
Вязкая жидкость. Силы внутреннего трения. Стационарное течение вязкой жидкости. Формула Стокса. Ламинарное и турбулентное течение жидкостей. Законы гидродинамического подобия. Гидродинамическая неустойчивость. Движение тел в жидкостях и газах. Формула Пуазейля.
Л.:[2, гл. 6; 3, гл. 6; 4, гл. 3]
Идеально упругое тело. Деформация. Виды деформации. Упругие деформации и напряжения. Закон Гука. Пластические деформации. Предел и запас прочности. Трение, виды трения. Сила трения.
Л.:[2, гл.4, 10; ]
=====================================================
РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Предмет классической электродинамики. Электрический заряд, его дискретность. Идея близкодействия. Закон сохранения электрического заряда. Дискретность электрических зарядов
Л.:[2, гл. 11; 3, гл 11; 4, гл. 13]
3.1. Электростатика
Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей. Расчет электрических полей методом суперпозиции. Электрический диполь. Основные уравнения электростатики в вакууме. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме и ее применение к расчету поля (поле бесконечно заряженной плоскости, двух равномерных разноименно заряженных плоскостей, бесконечной заряженной нити, заряженных сферы и шара)
Работа сил электростатического поля при перемещении заряда. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле. Потенциал - энергетическая характеристика поля. Циркуляция электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда. Напряженность поля как градиент потенциала. Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля.
Идеальный проводник в электростатическом поле, поверхностные заряды. Граничные условия на поверхности раздела «Идеальный проводник – вакуум». Электростатическое поле в полости идеального проводника и на его поверхности. Электростатическая защита. Электроемкость уединенного проводника. Конденсаторы. Электроемкость конденсаторов.
Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия заряженного проводника. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля. Плотность энергии электростатического поля. Пондермоторные силы.
Л.:[2, гл. 11; 3, гл. 11, 12; 9, гл 7; 4, гл. 13-15]
3.2. Постоянный электрический ток
Условия существования тока. Проводники и изоляторы. Сила и плотность тока. Сопротивление. Закон Ома для участка цепи. Дифференциальная форма закона Ома. Сторонние силы. Разность потенциалов, электродвижущая сила, напряжение. Источники тока. Закон Ома для замкнутой цепи и участка, содержащего ЭДС.
Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Закон сохранения энергии для замкнутой цепи. Разветвленные электрические цепи. Правила Кирхгофа.
Л.:[2, гл.12; 3, гл 13; 9, гл 7; 4, гл. 19]
3.3. Магнитное поле
Магнитное поле проводника с током. Магнитная индукция. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Эффект Холла. Сила Ампера.
Виток с током в магнитном поле. Магнитный момент. Момент сил, действующих на виток с током в магнитном поле.
Основные уравнения магнитостатики. Принцип суперпозиции для магнитного поля. Закон Био – Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитных полей прямолинейного проводника с током, в центре и на оси кругового тока.
Вихревой характер магнитного поля. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме и его применение к расчету магнитного поля длинного соленоида и тороида.
. Взаимодействие параллельных токов. Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного потока. Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.
Л.:[2, гл. 14; 3, гл. 14; 9, гл. 7; 4, гл. 21-24.]
Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции и его вывод из закона сохранения энергии. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Токи при замыкании и размыкании цепи. Явление взаимоиндукции. Взаимная индуктивность. Трансформатор.
Энергия магнитного поля проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля.
Л.:[2, гл.15; 3, гл 14; 9. гл 7; 4, гл. 25]
3.4. Статические поля в веществе
Плоский конденсатор с диэлектриком. Диполь в электростатическом поле. Дипольный момент. Диэлектрики. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Диэлектрики в электрическом поле. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Поляризованность. Электронная и ориентационная поляризация. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость среды. Вектор электрического смещения. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в диэлектрике. Граничные условия на поверхности раздела «диэлектрик – диэлектрик» и «проводник – диэлектрик». Плотность энергии электростатического поля в диэлектрике.
Л.:[2, гл.11; 3, гл. 12; 9. гл. 7. 4, гл. 15]
Длинный соленоид с магнетиком. Намагничивание вещества. Молекулярные токи. Намагниченность. Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды Магнитная восприимчивость вещества. Граничные условия на поверхности раздела двух магнетиков. Магнитные цепи.
Л.:[2, гл.16; 3, гл 14; 9, гл 7; 4, гл. 24 ]
3.5. Уравнения Максвелла
Фарадеевская и максвелловская трактовки явления электромагнитноМПС РОССИИ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
4/1/1
Одобрено кафедрой Утверждено
«Физика и химия» деканом экономического
факультета
нения электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн. Плотность потока энергии электромагнитного поля, Вектор Пойнтинга. Шкала электромагнитных волн.
Л.:[2, гл. 17; 3, гл 15; 9, гл 8; 4, гл. 26]
3.6 Принцип относительности в электродинамике
Опыт Мабной программы дисциплина « Физика», составленной в соответствии с требованиями минимума содержания к уровню подготовки специалистов всех технических специальностей.
Составители программы: доц., к. т.н.
старший преподаватель
:[3, гл. 21; 9, гл. 8; 4, гл 25, 29]
3.7. Квазистационарное магнитное поле.
Условия малости тока смещения. Токи Фуко. Квазистационарные явления в линейных проводниках. Переходные процессы в электрических цепях. Генератор переменного тока. Импеданс. Цепи переменного тока. Движение проводника в магнитном поле.
Л.:[2, гл.17. 3, гл 16; 4, гл. 25]
2 курс, третий семестр
Раздел 4. Физика колебаний и волн.
Общие представления о колебательных и волновых процессах. Единый подход к описанию колебаний и волн разли
Общие представления о колебательных и волновых процессах. Единый подход к описанию колебаний и волн различной физической природы.
4.1. Кинематика гармонических колебаний
Амплитуда, круговая частота и фаза гармонических ко-тебаний. Сложение скалярных и векторных колебаний. Биения. Фигуры Лиссажу. Векторные диаграммы. Комплексная форма представления гармонических колебаний.
Л.:[2, гл. 18; 3, гл 16; 4, гл. 27]
4.2 Гармонический осциллятор.
Движение системы вблизи устойчивого равновесия. Модель гармонического осциллятора. Примеры гармонических осцилляторов: пружинный, физический, математический маятник, колебательный контур. Энергия гармонического осциллятора.
Свободные затухающие колебания и их характеристики: коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания. Добротность. Понятие о связанных гармонических осцилляторах. Нормальные колебания (моды).
Действие периодических толчков на гармонический осциллятор. Резонанс. Гармонический осциллятор как спектральный прибор. Модулированные колебания. Физический смысл спектрального разложения. Вынужденные колебания гармонического осциллятора под действием синусоидальной силы. Амплитуда и фаза вынужденного колебания. Вынужденные колебания в электрических цепях. Параметрический резонанс.
Л.:[2, гл.18; 3, гл. 16; 4, гл. 27-28]
4.3 Ангармонические колебания.
Нелинейный осциллятор. Физические системы, содержащие нелинейность. Преобразование и детектирование электрических колебаний. Автоколебания. Обратная связь. Регенерация. Условие самовозбуждения колебаний. Роль нелинейности. Понятие о релаксационных колебания.
Л.:[9, гл.4; 4, гл. 28]
4.4. Волновые процессы.
Волновое движение. Плоская стационарная волна. Плоская синусоидальная волна. Продольные и поперечные волны. Бегущие и стоячие волны.
Механизм образования волн в упругой среде. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах.
Уравнение монохроматической бегущей волны. Длина волны, волновой вектор и фазовая скорость. Одномерное волновое уравнение. Энергетические характеристики упругих волн. Энергия волны. Поток энергии. Вектор Умова. Поведение звука на границе раздела двух сред. Понятие об ударных волнах.
Плоские электромагнитные волны. Энергетические характеристики электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга. Излучение диполя. Сферические волны.
Л.:[2, гл.19; 3, гл 18; 9. гл. 4; 4, гл. 29-30]
4.5. Интерференция волн
Принцип суперпозиции для волн. Когерентность и монохроматичность волн. Время и длина когерентности. Функция когерентности. Интерференция плоских и сферических монохроматических волн. Интерференция квазимонохроматических волн. Влияние источника на интерференцию.
Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Оптическая длина пути. Принцип Ферма. Разность хода. Условия интерференционных максимумов и минимумов.
Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона. Кольца Ньютона. Просветленная оптика. Интерферометры.
Л.:[2, гл. 21; 3, гл 18; 9, гл. 4; ; гл. 31]
4.6. Дифракция волн
Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Зонная пластинка.
Дифракция Фраунгофера на одной щели и на системе параллельных щелей. Дифракционная решетка. Разрешающая способность оптических приборов. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брегга. Оптически однородная среда. Понятие о голографии.
Л.:[2, гл.22; 3, гл 19; 9, гл 4; 4, гл. 32]
. . 4.7. Поляризация света
Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера. Коэффициенты отражения и преломления света.
Двойное лучепреломление в анизотропных кристаллах. Одноосные кристаллы. Поляроиды и поляризационные призмы. Закон Малюса. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости поляризации. Эффект Керра.
Л.:[2, гл.24; 3, гл. 20; 4, гл. 34 ]
4.7. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом
Модель среды с дисперсией. Показатель преломления. Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсии. Групповая скорость. Электронная теория дисперсии.
Оптические явления в атмосфере. Земная рефракция. Радуга. Миражи
Поглощение света. Анизотропные среды. Поведение волн на границе раздела двух сред. Полное внутреннее отражение света. Понятие о волноводах. Волоконная оптика. Волоконно-оптические линии связи
Элементы нелинейной оптики: самофокусировка света, генерация гармоник, параметрические процессы, вынужденное рассеяние.
Л.:[2, гл.23; 3, гл. 21; 4, гл. 31]
===================================================
Раздел 5. Квантовая физика
Противоречия классической физики. Принцип минимального воздействия в природе.
5.1. Экспериментальное обоснование основных идей квантовой механики. Взаимодействие фотонов с электронами
Линейчатые спектры атомов. Правило частот Бора. Принцип соответствия. Опыт Франка и Герца. Опыт Штерна и Герлаха. Резонансы во взаимодействии нейтронов с атомными ядрами и пионов с нуклонами.
Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон Вина. Противоречия классической физики. Квантовая гипотеза и формула Планка. Вывод из формулы Планка законов Вина и Стефана-Больцмана. Оптическая пирометрия.
Фотоны. Масса, энергия и импульс световых квантов. Внешний фотоэффект и его законы. Работы Столетова. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Многофотонный фотоэффект. Эффект Комптона. Давление света. Опыты Лебедева.
Аннигиляция электрон-позитронной пары. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
Л.:[2, гл.25; 3, гл. 22, 23; 4, гл. 35-36]
5.2. Корпускулярно-волновой дуализм
Гипотеза де - Бройля. Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма вещества. Дифракция электронов и нейтронов. Соотношение неопределенностей как проявление корпускулярно-волнового дуализма свойств материи.
Л.:[2, гл.27; 3, гл. 25; 9, гл. 9; 4, гл. 37]
5.3. Квантовые состояния и уравнение Шредингера
Задание состояния микрочастиц. Волновая функция и ее статистический смысл. Суперпозиция состояний. Амплитуда вероятностей. Вероятность в квантовой механике.
Временное уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера. Стационарные состояния.
Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Прохождение частицы над и под потенциальным барьером. Туннельный эффект.
Линейный гармонический осциллятор. Квантование энергии и импульса частицы.
Л.:[2, гл. 27; 3, гл 25; 9, гл. 9; 4, гл. 37]
5.4. Атом
Линейчатые спектры атомов. Правило частот Бора. Принцип соответствия. Опыт Франка и Герца.
Частица в сферически симметричном поле. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Спектры водородоподобных атомов. Атом водорода. Пространственное распределение плотности вероятности для электрона в атоме водорода. Ширина уровней. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Опыт Штерна - Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Магнитный момент атома. Эффект Зеемана.
Л.:[2, гл.28; 3, гл 24, 25; 9, гл. 9; 4, гл. 38]
5.5. Многоэлектронные атомы.
Спектр газообразного гелия. Орто - и парагелий. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Обменное взаимодействие. Структура энергетических уровней в многоэлектронных атомах. Типы связей электронов в атомах. Распределение электронов в атоме по состояниям. Периодическая система .
Л.:[2, гл.28; 3, гл 25; 9, гл. 9; 4, гл. 39]
5.6. Молекулы
Молекула водорода. Физическая природа химической связи. Электронные, колебательные и вращательные состояния многоатомных молекул. Молекулярные спектры.
Л.:[2, гл.28; 3, гл 25; 9. гл. 9; 4, гл. 39]
5.7. Электроны в кристаллах.
Кристаллическая решетка. Характер теплового движения в кристаллах. Приближение сильной и слабой связи. Модель свободных электронов. Уровень Ферми. Элементы зонной теории твердых тел. Функция Блоха. Зонная структура энергетического спектра электронов Энергетические зоны в кристалле. Распределение электронов по энергетическим зонам. Валентная зона и зона проводимости. Поверхность Ферми. Число и плотность электронных состояний в зоне. Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники.
Распределение электронов проводимости в металле по энергиям при абсолютном нуле температуры. Энергия Ферми. Влияние температуры на распределение электронов. Вырожденный электронный газ. Электропроводность металлов. Сверхпроводимость. Куперовское спаривание электронов. Эффект Джозефсона и его применение. Захват и квантование магнитного потока.
Электропроводность полупроводников. Понятие о дырочной проводимости. Собственные и примесные полупроводники. Понятие р-n-перехода и его вольтамперная характеристика. Транзистор.
Л.:[2, гл. 29; 3, гл. 28,29; 9. гл. 9; 4, гл. 43]
5.8. Элементы квантовой электроники
Элементы квантовой теории излучения. Спонтанное и вынужденное излучение электронов. Поглощение света. Закон Бугера – Ламберта. Инверсная заселенность. Условия генерации. Лазеры, принцип работы и конструкция. Свойства лазерного излучения. Лазерная спектроскопия.
Л.:[2, гл.28; 3, гл. 25; 9, гл 9, 4, гл. 40]
5.9. Атомное ядро
Строение атомного ядра. Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое числа. Состав ядра. Модели ядра. Дефект массы и энергия связи ядра. Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил.
Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Закономерности и происхождение альфа-, бета - и гамма-излучении атомных ядер. Ядерные реакции и законы сохранения. Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Понятие о ядерной энергетике. Ядерный реактор Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций. Энергия звезд.
Элементарные частицы. Их классификация и взаимная превращаемость.
Л.:[2, гл.30, 31; 3, гл. 26; 9. гл 9;4, гл. 45]
========================================================
Раздел 6. Статистическая физика и термодинамика
Динамические и статистические закономерности в физике. Статистический и термодинамический подходы.
6.1. Элементы молекулярно - кинетической теории
Макроскопическое состояние. Физические величины и состояние физических систем. Макроскопические параметры как средние значения. Равновесные состояния и процессы.
Модель идеального газа. Основное уравнение молекулярно - кинетической теории и следствия из него. Понятие о температуре. Уравнение Клапейрона - Менделеева. Изопроцессы. Закон Дальтона. Средняя кинетическая энергия молекул. Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры. Число степеней свободы молекул. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул и границы его применения.
Среднее число столкновений и длина свободного пробега молекул. Явления переноса. Опытные законы диффузии, внутреннего трения и теплопроводности. Молекулярно-кинетическая теория этих явлений. Коэффициенты диффузии, внутреннего трения, теплопроводности. Температуропроводность. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах.
Электрический ток в вакууме. Работа выхода электронов. Термоэлектронная эмиссия. Закон Богуславского - Ленгмюра и формула Ричардсона - Дешмена.
Электрический ток в газе. Процессы ионизация и рекомбинации. Электропроводность слабоионизованных газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд. Виды газовых разрядов. Газоразрядная плазма. Плазменная частота. Электропроводность плазмы.
Л.:[2, гл.8, 13; 3, гл. 8, 9, гл. 5; 4, гл. 10]
6.2. Основы термодинамики
Внутренняя энергия идеального газа. Работа идеального газа при изменении его объема в изопроцессах. Количество теплоты. Теплоемкость.
Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам и адиабатному процессу идеального газа. Зависимость теплоемкости идеального газа от вида процесса. Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоемкости идеальных газов и ее ограниченность. Адиабатный процесс. Уравнение Пуассона. Работа идеального газа в адиабатном процессе.
Интенсивные и экстенсивные параметры. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы). Тепловые двигатели и холодильные машины. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей. Цикл Карно и его КПД для идеального газа.
Второй закон термодинамики. Энтропия и ее статистическая интерпретация. Энтропия идеального газа. Возрастание энтропии в неравновесных процессах. Границы применимости второго закона термодинамики.
Термодинамические потенциалы и условия равновесия. Химический потенциал. Условия химического равновесия.
Фазы и условия существования фаз. Термодинамика поверхности раздела двух фаз. Поверхностные энергия и натяжение. Капиллярные явления. Фазовые превращения. Фазовые диаграммы. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Фазовые переходы I и II рода.
Силы молекулярного взаимодействия. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Сравнение изотерм Ван-дер-Ваальса с реальными. Критическая точка и критическое состояние.
Л.:[2, гл. 9,10; 3, гл. 9; 9, гл. 5; 4, гл. 9, 11.12]
6.3. Функции распределения
Микроскопические параметры. Вероятность и флуктуации. Распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). Средняя квадратичная, средняя арифметическая и наиболее вероятная скорости молекул. Средняя кинетическая энергия частиц.
Барометрическая формула. Распределение частиц в поле силы тяжести (распределение Больцмана). Атмосфера Земли и планет.
Л.:[2, гл.8; 3, гл. 8; 9, гл. 9; 4, гл. 10]
6.4. Элементы физической кинетики
Локальное и нелокальное равновесие. Релаксационные явления. Времена релаксации различных процессов приближения к тепловому равновесию. Броуновское движение. Связь диффузии с броуновским движением. Чувствительность измерительных приборов. Шумы. Понятие о принципе Онзагера. Электропроводность как вынужденная диффузия.
Л.:[9, гл.10; 4, гл. 11]
6.5. Распределение Гиббса
Модель системы в термостате. Каноническое распределение Гиббса. Статистически смысл термодинамических потенциалов и температуры. Роль свободной энергии. Распределение Гиббса для системы с переменным числом частиц. Энтропия и вероятность. Принцип Нернста и его следствия.
Квантовые идеальные газы. Функции распределения Бозе и Ферми. Формула Планка для равновесного теплового излучения.
Л.:[4, гл. 11]
6.6. Порядок и беспорядок в природе.
Энтропия как количественная мера хаотичности. Принцип возрастания энтропии. Переход от порядка к беспорядку в состоянии теплового равновесия. Роль фазовых переходов. Ближний и дальний порядок. Жидкие кристаллы.
Макросистемы вдали от равновесия. Открытые диссипативные системы. Появление самоорганизации в открытых системах и превращение флуктуации в макроскопические эффекты. Роль нелинейности. Понятие о бифуркациях. Идеи синергетики. Периодические химические реакции и биоритмы. Динамический хаос. Самоорганизация в живой и неживой природе.
Л.:[9, гл.10,11]
6.7. Кристаллы в динамическом равновесии.
Строение кристаллов. Экспериментальные методы исследования кристаллов. Точечные дефекты в кристаллах. Дислокации и пластичность. Акустические и оптические типы колебаний в кристаллах. Понятие о фононах.
Теплоемкость кристаллической решетки. Характеристическая температура Дебая. Закон Дюлонга - Пти. Теория Эйнштейна. Модель Дебая.
Эффект Мессбауэра и его применение.
Электропроводность металлов. Классическая электронная теория проводимости металлов и ее затруднения. Электронный ферми - газ в металле. Носители тока как квази - частицы. Электронные теплоемкость и теплопроводность.
Л.:[3, гл.29; 4, гл. 41]
6.8. Диэлектрики и магнетики в тепловом равновесии
Внутренняя и свободная энергия диэлектриков во внешнем электрическом поле и условия термодинамического равновесия. Электрострикция. Сегнетоэлектрики.
Типы магнетиков: пара -. диа -. ферро – и антиферромагнетики Элементарная теория диа - и парамагнетизма. Ферромагнетики. Опыты Столетова. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри. Домены. Спиновая природа ферромагнетизма. Магнитострикция ферромагнетиков.
Л.:[3, гл.12, 14; 4, гл. 42]
Раздел 6. Заключение.
СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Иерархия структур материи: микро-, макро - и мегамир. Частицы и античастицы. Физический вакуум. Кварки, лептоны, бозоны. Фундаментальные взаимодействия. Адроны. Ядра атомов. Молекулы.
Макроскопические состояния вещества: газы, жидкости, плазма. твердые тела. Планеты. Звезды. Вещество в экстремальных условиях: белые карлики, нейтронные звезда, черные дыры. Вещество в сверхсильных электромагнитных полях галактики. Горячая модель и эволюция Вселенной.
Физическая картина мира. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Материя - вакуум и вещество (поле и вещественные частицы).
Субстанциальная и реляционная концепция времени. Парадигма Ньютона и эволюционная парадигма. Незавершенность физики и будущее естествознания.
Л.:[3, гл.30; 4, гл. 46]
III. Темы лекционных занятий
семестр | № | тема | кол-во часов |
второй | 1. | Раздел 2. «Физические основы механики» Физические основы кинематики и динамики | 2 |
2 | Законы сохранения в механике | 2 | |
3 | Элементы механики твердого тела | 2 | |
4 | Раздел 3. «Электричество и магнетизм» Основные законы электростатики | 2 | |
5 | Основные законы постоянного тока | 2 | |
6 | Магнитное поле и его характеристики. Явление электромагнитной индукции | 2 | |
третий | 1 | Раздел 4. Физика колебаний и волн» Общая характеристика гармонических колебаний. Гармонический осциллятор. | 2 |
2 | Волновые процессы и их характеристики | 2 | |
3 | Интерференция и дифракция волн | 2 | |
4 | Раздел 5 . «Квантовая физика» Основные идеи квантовой механики и их опытное обоснование | 2 | |
5 | Корпускулярно-волновой дуализм. Уравнение Шредингера | 2 | |
6 | Физика атомов и молекул | 2 | |
7 | Строение атомного ядра. Ядерные реакции. Понятие о ядерной энергетике | 2 | |
8 | Раздел 6. Статистическая физика и термодинамика» Основы молекулярно - кинетической теории. Явления переноса | 2 | |
9 | Функции распределения | 2 | |
10 | Раздел 7. Заключение Современная физическая картина мира. | 2 |
IY. Примерная тематика лабораторных работ
Во втором семестре студенты делают 3 лабораторных работы по разделам: «Физические основы механики» и «Электричество и магнетизм», в третьем семестре - 5 лабораторных работ по разделам «Колебания и волны», «Квантовая физика», «Статистическая физика и термодинамика» Каждая лабораторная работа выполняется за 4 академических часа.
2 семестр
Раздел 2.Физические основы механики
1. Изучение вращательного движения твердых тел с помощью маятника Обербека.
2. Определение моментов инерции тел методом крутильных колебаний.
3. Определение момента инерции маятника Максвелла.
4. Определение коэффициента трения качения методом наклонного маятника.
5. Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного маятника.
6. Определение модуля Юнга.
7. Определение скорости полета пули баллистическим методом.
8. Изучение законов сохранения на примере столкновения шаров.
9. Определение коэффициента динамической вязкости жидкостей.
Раздел 3. Электричество и магнетизм.
1. Определение емкости конденсатора с помощью баллистического гальванометра.
2. Исследование распределения электронов, испускаемых катодом. по скоростям.
3. Определение удельного сопротивления проволоки.
4. Изучение дифференциальной формы закона Ома.
5. Определение сопротивления с помощью моста Уитстона.
6. Определение электродвижущей силы источников тока методом компенсации.
7. Изучение явления самоиндукции в цепи переменного тока.
8. Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.
3 семестр.
Раздел 4. Физика колебаний и волн
1. Изучение колебаний физического и математического маятников.
2. Изучение колебаний пружинного маятника.
3. Изучение собственных колебаний струны
4. Изучение вынужденных колебаний
4. Определение скорости звука в воздухе методом сложения взаимо перпендикулярных колебаний фазовым методом.
5. Изучение законов колебательного движения на примере одиночного и связанного маятников.
6. Исследование электрических колебаний с помощью осциллографа.
7. Изучение свойств электромагнитных волн.
8. Изучение интерференции световых волн и определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона.
9. Определение границ полосы пропускания светофильтров.
10.Экспериментальная проверка закона Малюса.
11. Определение удельного вращения и концентрации водного раствора сахара.
12. Определение длины волны излучения лазера с помощью дифракционной решетки
13. Определение длины волны излучения лазера с помощью колец Ньютона.
Раздел 5. Квантовая физика
1. Изучение устройства, принципа действия и свойств излучения газового лазера.
2. Определение спектрального состава газов и постоянной Ридберга с помощью монохроматора УМ-2.
3. Снятие вольтамперной и люксамперной характеристик фотоэлемента.
4. Изучение внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка.
5. Определение температуры раскаленных тел и постоянной Стефана – Больцмана оптическим пирометром.
6. Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа.
7. Изучение законов сохранения на примере ядерных реакций.
8. Исследование радиоактивного распада методом ядерных эмульсий.
9. Исследование углового распределения космических лучей и радиоактивной обстановки окружающей среды с помощью счетчиков Гейгера - Мюллера.
Раздел 6. Статистическая физика и термодинамика
1. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца.
2. Определение постоянной Больцмана.
3. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха.
4. Определение отношения удельных теплоемкостей воздуха.
5. Определение показателя адиабаты воздуха методом стоячей волны
6. Проверка закона Богуславского - Ленгмюра и определение удельного заряда электрона по вольтамперным характеристикам диода.
7. Изучение термоэлектрических явлений.
8. Определение работы выхода электронов из металла.
9. Изучение гистерезиса ферромагнитных
10. Изучение релаксационных колебаний в цепи с газоразрядной лампой
11. Снятие вольтамперных характеристик селенового и германиевого выпрямителей.
12. Снятие вольтамперной и сеточной характеристик трехэлектродной электронной лампы.
V. Литература
Основная литература
1. Т. И Трофимова. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002
2. Краткий курс физики. М.: Высшая школа, 2001
3. , Основы физики. М.: Высшая школа, 2002
4. , Курс физики. М.: Высшая школа, 2002
5. , Справочник оп физике. М., Наука, Физматлит, 2001
6. Р. Гёбель Физика. Справочник школьника и студента. М., Дрофа, 2000
7. , Физика. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов, часть 1 и 2, Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2001
8. Айзенцон физики. М.: Высшая школа, 1996
9. , Прокофьева физики. М.: Наука, 1995
10. Т. И Трофимова, Сборник задач по курсу физики с решениями М.: Высшая школа. 2000
11. Сборник задач по общему курс физики. СПб, СпецЛит, 2001
12. , Все решения к Сборнику задач по общему курсу физики» . М. , Олимп, 1999
13. , , Задачи по общей физике, М.,Физмазлит, 2001
14. , Селезнев на транспорте. М.: 1995
15. Физика. Задания на контрольные работы № 1 и 2 с методическими указаниями для студентов инженерно-технических специальностей, часть 1, М, РГОТУПС, 2002-
16. Физика. Задания на контрольные работы № 3 и 4 с методическими указаниями для студентов инженерно-технических специальностей, часть 1, М, РГОТУПС, 2002-
Дополнительная литература:
17. Физический энциклопедический словарь. М.: Российская энциклопедия, 1993
18. Г. А., 3исман, 0. М. Тодес Курс общей физики. Т. 1-3. М.: Наука. 1994
19. Курс общей физики. Т. 1-3. М.: Наука, 1987-88
20. А. В Матвеев. Курс общей физики. Т. 1-5. М.: Высшая школа. 1986-89
21. ., Д. М Широков. Курс физики. ТМ.: Наука.
22. Д. Орир. Физика. Т. 1-2. М.: Мир, 1981
23. Ч.. Киттель и др. Берклевский курс физики. Т. 1-5. М.: Наука, 1971-74
24. Д. В Сивухин. Общий курс физики. Т. 1-5. М.: Наука. 1979-89
25. ., Э. М Дмитриев. Методика проведения упражнений по физике во втузе. М.: Высшая школа. 1981
26. Решение задач по физике. Общие методы. М.: Высшая школа, 1986
27. E. P Фирганг. Руководство к решению задач по курсу общей физики. M.: Высшая школа, 1986
28. А. Г Чертов, А. А Воробьев. Задачник по физике. M.: Высшая школа. 2000
29. А. А Детлаф., Б. М Яворский., Л. Б Милковская. Курс физики. Том I-III. М.: Высшая школа. 1990
30. Н. Н Майсова. Практикум по курсу общей физики. М.: Высшая школа.1979
31. И. Е Иродов. Задачи по общей физике. М.: Наука. 2001
