Концепции современного естествознания

МИНОБРНАУКИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета

« » 2010 г.

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

(ЕН. Ф.03)

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

трудоемкость дисциплины 4 зачетные единицы

НАПРАВЛЕНИЕ 080800 – ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА

Томск

2010

УТВЕРЖДЕНО кафедрой прикладной информатики. Протокол №50 от 01.01.2001 г. Зав. кафедрой, профессор

СОСТАВИТЕЛЬ к. т.н., доцент кафедры прикладной информатики

I. Организационно-методический раздел

Цель курса – понимание основных законов физики, обеспечивающих функционирование устройств вычислительной техники, позволяющее ориентироваться в потоке научной и технической информации, обеспечивающем систематическое обновление и поддержание современного уровня подготовки. Воспитание естественнонаучного мировоззрения, основанного на достижениях современной физической науки и естествознания в целом, включающих физику как часть общечеловеческой культуры.

Задача учебного курса – иметь представление о современных достижениях теоретической и экспериментальной физики, достижениях техники и технологии. Иметь современный взгляд на строение материального мира, квантовые законы движения микрочастиц (электронов и фотонов, прежде всего), а также о классических законах движения и равновесия, о происхождении и развитии Вселенной. Иметь представление о решающих физических экспериментах, которых привели к этим представлениям.

Дисциплины-предшественники – нет.

Требования к уровню освоения дисциплины – знание наиболее общих физических закономерностей о формах материи и взаимодействии этих форм, обеспечивающих неискаженное, правильное отражение действительности в сознании человека. Знание основных физических законов, используемых при реализации технологии создания элементной базы вычислительной техники и обеспечивающих их функционирование. Владение приёмами работы с соответствующими книгами и справочниками при решении конкретных задач, требующих знаний данной дисциплины. Владение способами ориентирования в потоке научно-технической информации для использования физических явлений в развитии своей отрасли.

II. Содержание дисциплины

II.1.  Лекционный курс

Тема 1. Введение.

История развития физического мировоззрения. Роль законов физики в развитии всех остальных естественных наук. Законы физики как регуляторы развития техники.

Тема 2. Механика.

Физические основы механики. Основные положения теории Галилея: относительность скорости и абсолютность ускорения, принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Понятие об инерциальных и неинерциальных системах отсчета. Абсолютность времени в классической механике. Преобразования Лоренца. Кинематика. Основные понятия кинематики. Механическое движение. Равноускоренное движение. Равномерное движение по окружности. Масса тела. Понятие силы. Основы динамики. Законы Ньютона. Опыт Генри Кавендиша. Закон всемирного тяготения. Сила упругости. Закон Гука. Силы трения. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Механическая работа. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механических процессах. Элементы статики. Условия равновесия тел. Законы сохранения в механике. Закон взаимосвязи массы и энергии. Планетарная система, в которой мы живем. Законы Кеплера движения планет вокруг Солнца.

Тема 3. Молекулярная физика и термодинамика.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Кинетическая модель идеального газа. Броуновское движение. Закон Авогадро. Опыты Бойля и закон Бойля. Эксперименты Гей-Люссака. Масса молекул. Уравнение состояние идеального газа. Температура – мера средней кинетической энергии молекул. Уравнение состояния идеального газа. Распределение Максвелла-Больцмана. Опыт Ламмерта по опытной проверке распределения Максвелла. Свойства жидкостей. Испарение и конденсация. Кристаллические и аморфные тела. Механические свойства твёрдых тел. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике. Первый закон термодинамики. Количество теплоты. Принципы действия тепловой машины. Цикл Карно. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Понятие об энтропии.

Тема 4. Электродинамика.

Закон сохранения электрического заряда. Открытие электрона как частицы. Опыты Дж. Дж. Томсона по отклонению катодных лучей в магнитном поле. Определение удельного заряда (q / m) и массы электрона. Опыты Герца по получению и исследованию электромагнитных волн. Опыты Лебедева. Закон Кулона. Электрическое поле. Потенциал. Электроёмкость. Закон Ома. Закон Ома для замкнутой цепи. Закон Кирхгофа для разветвленных цепей. Электрический ток в металлах. Мощность электрического тока. Постоянная и переменная электродвижущая сила. Трансформаторы. Трехфазный ток. Соотношения между линейными и фазовыми напряжениями и токами. Опасность поражения электрическим током для организма человека. Защитное заземление и заземление на нейтраль (зануление). Электрический ток в полупроводниках. Электрический ток в электролитах. Открытие электрона. Электрический ток в газах. Электрический ток в вакууме. Магнитное поле. Магнитное поле Земли. Радиационный пояс Ван Алена и его взаимодействие с магнитным полем Земли. Ферромагнетизм и антиферромагнетизм. Парамагнетики. Диамагнетизм. Эксперимент Фарадея по индукции электричества. Точка Кюри. Сила Лоренца. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея — Максвелла. Уравнения Максвелла. Самоиндукция. Явление сверхпроводимости. Высокотемпературная сверхпроводимость.

Тема 5. Колебания и волны.

Механические колебания. Гармонические колебания. Свободные колебания. Вынужденные колебания. Резонанс, автоколебания. Превращения энергии при механических колебаниях. Механические волны. Продольные и поперечные волны. Эффект Доплера. Распространение колебаний в упругой среде. Звуковые волны. Прохождение волн землятресений в земной коре. Интерференция, дифракция и поляризация волн. Переменный электрический ток. Активное сопротивление в цепи переменного тока. Индуктивность и ёмкость в цепи переменного тока. Векторные диаграммы как средство отображения процессов в электрических цепях. Опыты Физо, Фуко и Майкельсона по измерению скорости света. Опыт Майкельсона-Морли и его трактовка Фитцджеральдом. Уравнение Фитцджеральда-Лоренца. Постулаты Эйнштейна и преобразования Лоренца. Взаимосвязь массы и энергии. Электромагнитные волны. Принципы радиосвязи. Спектр электромагнитных излучений. Опыт Ньютона по расщеплению спектра белого света. Фраунгоферовы линии. Гершеля и открытие инфракрасного излучения.

Тема 6. Квантовая физика.

Фотоэлектрический эффект. Доказательства сложности структуры атома. Квантовая гипотеза и формула Планка. Эффект Комптона.

Опыты Резерфорда, Гейгера и Мардсена по рассеянию альфа-частиц на тонких фольгах. Неустойчивость классической (планетарной) модели атома. Постулаты Бора. Дискретность спектров атомов. Линейчатый спектр атома водорода. Волновые свойства массивных частиц. Квантовые постулаты Бора. Квантовая механика Шрёдингера. Корпускулярно-волновой дуализм фотона. Соотношение неопределённостей Гейзенберга. Волновая функция и её статистический смысл. Фундаментальные частицы – бозоны и фермионы. Распределение Бозе-Эйнштейна. Состав атомного ядра. Смысл атомного номера. Энергия связи атомного ядра. Радиоактивность. Свойства ядерных излучений. Цепная реакция деления ядер урана. Элементарные частицы. Периодическая таблица элементов . Классификация и методы получения нанокластеров и наноструктур. Твёрдотельные нанокластеры и наноструктуры. Углеродные нанотрубки. Фуллерены и фуллериты. Семейства радиоактивных элементов. Закон радиоактивного распада. Измерение величин ионизирующих излучений и радиоактивности. Счетчик Гейгера — Мюллера. Ускорители частиц. Линейные ускорители, циклотрон. Цепная реакция. Принцип действия ядерного реактора. Термоядерный синтез.

Тема 7. Современные представления об устройстве Вселенной.

Размеры Вселенной. Опыт Эрастофена Киренского по оценке размеров Земли. Опыт Гиппарха из Никеи по определению расстояния до Луны. Опыт Генри Кавендиша и определение массы Земли и средней плотности. Оценка массы Солнца. Слоистая структура Земли. Гипотеза Вегенера. Явление параллакса. Понятие астрономической единицы (АЕ). Работы Гершеля по определению размеров Галактики. Гипотезы рождения Вселенной. Красное смещение. Классификация космических объектов. Квазары, нейтронные звёзды.

III. Распределение часов курса по темам и видам работ

№№ пп	Наименование тем	Всего часов	Аудиторные занятия (час), в том числе	Самостоятельная работа
			лекции	семинары	лабораторные занятия
1	Введение	4	2			2
2	Механика	12	8			4
3	Молекулярная физика и термодинамика	16	12			4
4	Электродинамика	22	16			6
5	Колебания и волны	18	14			4
6	Квантовая физика	12	8			4
7	Современные представления об устройстве Вселенной	16	12			4
ИТОГО		100	72	0	0	28

IV. Учебно-методическое обеспечение курса

IV.1.  Основная литература

Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. / Под ред. : Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 13-е изд. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 608 с. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. / Под ред. : Т. 2 Электричество и магнетизм. — 13-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 479 с. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. / Под ред. : Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — 12-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 656 с. Иродов физика. В 5-и томах. М.: Лаборатория базовых знаний, 2003. Иродов макросистем. Основные законы. Трофимова физики: Учеб. пособие для вузов.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1990.— 478 с.

IV.2.  Дополнительная литература

, . Удивительная физика. - М.: Добросвет, 2002. — 236 с: ил. .  Законы физической статистики. Издательство: Наука, 1976. – 140 с. Пенроуз Роджер. Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики: Пер. с англ. / Общ. ред. . — М.: Едиториал УРСС, 2003. — 384 с. Луи де Бройль. «Революция в физике» (Новая физика и кванты). Атомиздат, Москва, 1965 – 94 с. Гельфер и методология термодинамики и статистической физики: Учеб. пособие.— 2-е изд. М.: Высш. школа, 1981.— 536 с. Дж. Фен. Машины, энергия, энтропия: Пер. С англ. – Мир, 1986. – 336 с. . Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: КомКнига. 2006. – 592 с. А. Азимов. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. Пер. с англ. – 187 с. , , . Российская физика Нобелевского уровня.—М.: Издательство Физико-математической литературы, 2006. – 228 с.