Рабочая программа Физика (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Кафедра общей и экспериментальной физики

СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ

Зав. выпускающей кафедрой Декан факультета

прикладной биотехнологии «Пищевые технологии»

______________ ______________

«____»_____________2010 г. «___»_______________2010 г.

Рабочая программа

Дисциплины  ЕН. Ф.03 Физика 

(указывается наименование и индекс дисциплины в соответствии с ГОС и учебным планом)

для направления «Метрология, стандартизация и сертификация»

______________________________________________________________________

факультет   «Пищевые технологии» 

кафедра-разработчик общей и экспериментальной физики 

Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению «Метрология, стандартизация и сертификация» подготовки бакалавра.

Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры общей и экспериментальной физики протокол от 31 августа 2010 г.

Зав. кафедрой общей и экспериментальной физики,

д. т.н., проф. _____________________________________________

Ученый секретарь кафедры общей и экспериментальной физики,

к. ф.-м. н., доц.__________________________________________

Разработчик программы, к. ф.-м. н., доц.

кафедры общей и экспериментальной физики_______________

Челябинск 2010

1. Введение

1.1. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Курс “Общая физика“ является составной частью фундаментальной физико-математической подготовки, необходимой для успешной работы инженера любого профиля. Дипломированный специалист в результате усвоения этой дисциплины должен знать основные понятия, законы и модели механики, электричества и магнетизма, колебаний и волн, квантовой механики, статистической физики и термодинамики, методы теоретического и экспериментального исследования физики. Уметь использовать и применять физические законы в прикладных задачах будущей специальности, достижения физики в практической деятельности. Овладеть методами физического исследования.

1.2. Требования к уровню подготовки для освоения дисциплины

Предшествующий уровень образования абитуриента – среднее (полное) общее образование. Он должен иметь документ государственного образца о среднем (полном) общем образовании или среднем профессиональном образовании, или начальном профессиональном образовании, если в нем есть запись о получении предъявителем среднего (полного) общего образования, или высшем профессиональном образовании.

2. Цели и задачи преподавания и изучения дисциплины

Целью и задачами преподавания физики являются: изучение основных физических явлений и идей; овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями современной и классической физики, а также методами физического исследования. Формирование научного мировоззрения и современного физического мышления. Овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики. Ознакомление с современной научной аппаратурой, формирование навыков физического моделирования прикладных задач будущей специальности.

3. Аннотация дисциплины

Основные разделы физики: Физические основы механики; Колебания и волны; Термодинамика и молекулярная физика; Электричество и магнетизм; Оптика; Специальная теория относительности; Квантовая механика; Атомная и ядерная физика. Теоретический курс подкрепляется практической и самостоятельной работой студентов, а также лабораторным практикумом. Проводится итоговый зачёт или экзамен по окончании каждого семестра.

Ключевые слова: движение, материя.

Специальность 200503 «Стандартизация и сертификация», квалификация инженер.

Форма контроля – зачёт, экзамен.

4. Объём дисциплины и виды учебной нагрузки

Таблица 1 – Состав и объём дисциплины

Вид учебной работы	Всего часов	Распределение по семестрам в часах
Семестр
I	II	III
Общая трудоёмкость дисциплины	525	198	197	130
Аудиторные занятия	270	99	99	72
Лекции (Л)	108	36	36	36
Практические занятия (ПЗ)	90	36	36	18
Лабораторные работы (ЛР)	72	27	27	18
Самостоятельная работа (СРС)	255	99	98	58
Вид итогового контроля		Зач.	Зач.	Экз.
Объём работы в кредитах	15,5	5,5	5,0	5,0
Объём работы в соответствии и ГОС и учебным планом	525	198	197	130

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины, виды и объём занятий

Таблица 2 – Разделы дисциплины, виды и объём занятий

№ раздела темы	Наименование разделов, тем дисциплины	Объём в часах по видам
Всего	Лек	ПЗ	ЛР	СРС
1	Физические основы механики	123	20	24	12	67
2	Колебания и волны	34	4	6	8	16
3	Молекулярная физика и термодинамика	41	12	6	7	16
4	Электричество и магнетизм	197	36	36	27	98
5	Оптика	88	20	12	14	42
6	Спец. теория относит.	4	4	–	–	–
7	Атомная физика и квантовая механика	20	8	4	–	8
8	Ядерная физика и физика элементарных частиц	18	4	2	4	8
Итого		525	108	90	72	255

5.2. Содержание разделов и тем дисциплины

Таблица 3 – Содержание разделов дисциплины

№ лекции	Название раздела	Содержание раздела
1 2	Раздел 1. Физические основы механики	Введение Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория, роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Роль физики в становлении инженеров. Задачи курса физики Тема 1. Кинематика материальной точки Механическое движение как простейшая форма движения материи. Элементы кинематики материальной точки. Скорость и ускорение точки как производные радиус-вектора по времени. Тангенциальное и нормальное ускорения. Радиус кривизны траектории. Поступательное движение твердого тела
3 4		Тема 2. Динамика материальной точки Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела. Закон инерции и инерциальные системы отсчета. Законы динамики материальной точки и системы материальных точек. Внешние и внутренние силы Центр масс (центр инерции) механической системы и закон его движения. Закон сохранения импульса. Движение тел переменной массы
5 6		Тема 3. Работа. Энергия. Закон сохранения механической энергии Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Работа силы. Кинетическая энергия механической системы и её связь с работой внешних и внутренних сил Поле как форма материи, осуществляющая силовое взаимодействие между частицами вещества. Потенциальная энергия и её связь с силой, действующей на материальную точку. Закон сохранения механической энергии
7 8 9		Тема 4. Вращательное движение твёрдого тела Кинематика вращательного движения. Векторы угловой скорости и углового ускорения. Связь между угловыми и линейными скоростями и ускорениями Динамика вращательного движения. Момент силы относительно точки и оси. Момент инерции. Теорема Штейнера Кинетическая энергия вращающегося тела. Уравнение динамики вращательного движения Момент импульса относительно точки и оси. Закон сохранения момента импульса. Плоское движение. Теория гироскопа
10		Тема 5. Механика жидкостей и газов Уравнение неразрывности и Бернулли. Вязкость. Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости. Движение тел в жидкостях и газах. Закон Стокса. Формула Пуазейля
11	Раздел 2. Колебания и волны	Тема 1. Механические колебания Гармонические колебания и их характеристики. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний Пружинный, физический и математический маятники. Энергия гармонических колебаний. Ангармонический осциллятор Сложение гармонических колебаний одного направления одинаковой частоты. Биения. Сложения взаимно перпендикулярных колебаний Дифференциальное уравнение затухающих колеба­ний и его решение. Коэффициент затухания, добротность. Апериодический процесс. Вынужденные колебания. Амплитуда и фаза вынуж­ден­ных колебаний. Резонанс
12		Тема 2. Механические волны Механизм образования меха­ни­ческих волн в упругой среде. Уравнение бегущей волны. Волновое уравнение. Длина волны и волновое число. Фазовая скорость. Энер­гия волны. Поток энергии Принцип суперпозиции волн и границы его применимости. Волновой пакет. Групповая скорость. Интерференция волн. Образование стоячей вол­ны. Уравнение стоячей волны и его анализ
13	Раздел 3. Молекулярная физика и термодинамика	Статистический и термодинамический методы исследования систем. Термодинамическая система и её параметры. Тема 1. Молекулярная физика Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Основное уравнение молекулярно-кинетичес­кой теории идеального газа. Средняя кинетическая энергия молекул. Молекулярно-кинетическое толко­ва­ние температуры. Средняя квадратичная скорость. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул
14		Тема 2. I начало термодинамики Внут­рен­няя энергия системы. Работа газа. Графическое изображение термодинамических про­цес­сов и рабо­ты. Равновесные и неравновесные процессы. Количество теплоты. I начало термодинамики Теплоёмкость многоатомных газов. Закон Майера. Недостатки классической теории теплоёмкостей Применение I начала термодинамики к изопроцес­сам. Уравнение адиабаты. Политропические процессы. Уравнение политропы
15		Тема 3. II начало термодинамики Обратимые и необратимые процессы. Циклы. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно, к. п.д. цикла. II начало термодинамики. Энтропия идеального газа Микросостояние и макросостояние термодинамической системы. Статистический вес макросостояния. Статистическое толкование II начала термодинамики и энтропии. III начало термодинамики
16		Тема 4. Статистические распределения Распределение молекул идеального газа по скорос­тям. Опыт Штерна. Барометрическая формула. Закон Больцмана
17		Тема 5. Явления переноса Явление переноса в термодинамических неравновесных системах. Законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Молекулярно-кинетическая теория этих явлений
18		Тема 6. Реальные газы Реальный газ. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Фазовые переходы. Критическое состояние
19 20 21 22 23 24	Раздел 4. Электричество и магнетизм	Тема 1. Электростатика Два рода электрических зарядов. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Электростатическое поле. Вектор напряженности. Графическое изображение поля. Принцип суперпозиции Поток вектора напряжённости. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Гаусса. Расчет полей с центральной осевой и плоской симметрией Работа по перемещению заряда в электрическом поле. Циркуляция вектора напряженности. Потенциал, разность потенциалов. Связь разности потенциалов и напряжённости. Напряжённость как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности. Расчет разности потенциалов полей с центральной осевой и плоской симметрией Диэлектрики в электростатическом поле. Типы диэлектриков. Поляризация. Электрическое поле в диэлектрике. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для вектора электрического смещения Проводники в электростатическом поле. Напряжённость и потенциал на поверхности и внутри проводника, распределение зарядов в проводнике. Электроёмкость. Электроёмкость уединенного проводника. Конденсаторы Энергия электростатического поля. Энергия системы зарядов. Энергия проводника. Энергия конденсатора. Плотность энергии электростатического поля. Пример расчета энергии симметричного поля
25		Тема 2. Постоянный электрический ток Электрический ток. Сила и плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение. Закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи и замкнутой цепи. Закон Ома в дифференциальной форме. Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца
26 27 28 29 30 31		Тема 3. Магнитное поле Магнитное поле. Вектора магнитной индукции и напряженности. Графическое изображение магнитного поля. Закон Био – Савара – Лапласа (Б – С – Л), его применение к расчету полей. Принцип суперпозиции. Применение закона Б – С – Л для расчета магнитного поля прямолинейного и кругового токов, движущегося заряда Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции в вакууме. Закон полного тока в вакууме и его применение для расчета поля прямого тока и длинного соленоида Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Контур с током в однородном и неоднородном магнитном поле. Работа по перемещению проводника с током и контура с током в магнитном поле Действие магнитного поля на движущиеся заряды. Сила Лоренца. Практическое использование действия электрического и магнитного полей на движущиеся заряды Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции, его вывод из закона сохранения энергии. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность соленоида. Токи замыкания и размыкания. Энергия магнитного поля Диа- и парамагнетики. Магнитное поле в веществе. Закон полного тока для вектора напряжённости магнитного поля. Условия на границе раздела магнетиков. Ферромагнетики, их отличительные свойства. Природа ферромагнетизма
32 33		Тема 4. Электромагнитные колебания и волны Свободные незатухающие колебания. Идеаль­ный колебательный контур. Дифференциальное уравнение незатухающих колебаний и его решение. Формула Томсона. Энергия колебаний Переменный ток. Импеданс. Закон Ома для переменного тока. Действующий ток и действующее напряжение. Закон Джоуля-Ленца для переменного тока.
34 35 36		Реальный колебательный контур. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Параметры затухания. Апериодический процесс. Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения. Уравнения Максвелла Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Фазовая и групповая скорости. Основные свойства электромагнитных волн. Монохроматическая волна. Перенос энергии электромагнитной волной
37 38 39 40 41	Раздел 5. Оптика	Тема 1. Интерференция света Когерентность и монохроматичность свето­вых волн. Оптическая длина пути. Расчёт интерференционной картины от двух когерент­ных источников. Интерференция в тонких плёнках. Кольца Ньютона. Опыты Френеля и Ллойда Интерференция многих волн. Интер­феромет­ры. Потеря волны при отражении. Время и длина когерентности. Простран­с­твен­ная когерентность Тема 2. Дифракция света Принцип Гюйгенса–Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распростране­ние света. Дифракция Френеля на круглом отверс­тии и диске. Дифракция Фраунгофера на одной щели и на дифракционной решётке Разрешающая способность оптических приборов. Дифракция на пространственной решётке. Формула Вульфа–Брэгга. Исследование структуры кристал­лов. Голография Тема 3. Поляризация света Естественный и поляризованный свет. Эффект Брюстера. Закон Малюса для частично поляри­зованного света. Формулы Френеля
42 43		Тема 4. Электромагнитные волны в веществе Дисперсия света. Элементарная теория дисперсии. Поглощение и рассеяние света. Двойное лучепреломление. Прохождение плоскополяризо­ван­но­го света через кристаллическую пластинку. Электрооптические и магнитооптические явления. Искусственное двойное лучепреломление света. Эффект Поккельса.
44 45 46		Тема 5. Тепловое излучение Противоречия классической физики. Тепловое из­лу­­че­­ние. Абсолютно чёрное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана–Больцмана. Распределе­ние энергии в спектре абсолютно чёрного тела. Законы Вина. Формула Рэлея–Джинса Тема 6. Квантовые свойства света Квантовая гипотеза и формула Планка. Вывод из формулы Планка законов Вина и Стефана–Больцмана. Оптическая пирометрия Энергия и импульс световых квантов. Фотоэффект. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Эффект Комптона. Давление света. Двойственная корпускулярно-волновая природа света
47 48	Раздел 6. Специальная теория относительности	Основные представления дорелятивистской физики. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности Галилея. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Понятие одновременности, относительность длин и промежутков 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. Общефизический закон сохранения энергии
49 50	Раздел 7. Атомная физика и квантовая механика	Тема 1. Волновые свойства вещества Опытное обоснование корпускулярно-волново­го дуализма свойств вещества. Формула де Бройля. Соотношение неопределённостей. Вол­но­­вая функция и её вероятностный смысл. Постулаты квантовой механики Временное уравнение Шредингера. Прохождение частицы через потенциальный барьер. Стационарное уравнение Шредингера. Частица в потенциальной яме
51 52		Тема 2. Физика атомов и молекул Частица в сферическом поле. Квантовая модель атома водорода. Энергетические уровни. Потенциал возбуждения и ионизации. Пространственное распределение электрона в атоме водорода. Принцип Паули. Бозоны и фермионы Периодическая система элементов Менделеева. Мо­ле­ку­ла водорода. Обменное взаимодействие. Физи­чес­кая природа химической связи Оптический резонатор. Инверсная населённость. Отрицательное поглощение. Лазеры. Практическое применение
53	Раздел 8. Физика атомного ядра и элементарных частиц	Тема 1. Атомное ядро Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое числа. Момент импульса ядра и его магнитный момент. Состав ядра. Нуклоны. Кварки. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра Радиоактивность. Ядерные реакции. Цепная ядерная реакция деления. Ядерный реактор. Термоядерные реакции
54		Тема 2. Элементарные частицы Фундаментальные взаимодействия. Классы частиц. Античастицы. Иерархия структуры материи

Эти разделы физики изложены в пособиях [1, 10–14].