МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ (ИЭЭ) ___________________________________________________________________________________________________________
Направление подготовки: 140400 Электроэнергетика и электротехника.
Профиль(и) подготовки: 1. Высоковольтные электроэнергетика и электротехника;
2. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии;
3. Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем;
4. Электрические станции;
5. Электроэнергетические системы и сети;
6. Гидроэлектростанции;
7. Электроснабжение.
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр.
Форма обучения: очная.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИКА»
Цикл: | математический и естественнонаучный | |
Часть цикла: | базовая | |
№ дисциплины по учебному плану: | Б2.2 | |
Часов (всего) по учебному плану: | 360 | |
Трудоемкость в зачетных единицах: | 10 | 1 семестр – 4 2 семестр – 4 3 семестр - 2 |
Лекции | 104 час | 1 семестр – 34 час 2 семестр – 34 час 3 семестр – 36 час |
Практические занятия | 68 час | 1 семестр – 34 час. 2 семестр – 34 час. 3 семестр – 0 час. |
Лабораторные работы | 52 час | 1 семестр – 17 час. 2 семестр - 17 час. 3 семестр – 18 час. |
Расчетные задания | 12 час самостоят. работы | 2 семестр - 8 час 3 семестр - 4 час. |
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего) | 136 час | |
Экзамены | 1, 2, 3 семестры | |
Курсовые проекты (работы) | Учебным планом не предусмотрены |
Москва – 2010
Целью дисциплины является получение фундаментального образования, способствующего дальнейшему развитию личности. В процессе освоения данной дисциплины студент способен и готов: уметь применять методы математического анализа при решении инженерных задач; выявлять физическую сущность явлений и процессов в устройствах различной физической природы и выполнять применительно к ним простые технические расчеты; применять компьютерную технику и информационные технологии в своей профессиональной деятельности; должен владеть инструментарием для решения физических задач в своей предметной области; владеть методами анализа физических явлений в технических устройствах и системах; владеть информацией о назначении и областях применения этих технических устройств.
Задачами дисциплины являются: изучение основных физических явлений; овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями физики, а также методами физического исследования; овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики; формирование навыков проведения физического эксперимента, умения выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах будущей деятельности.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина относится к базовой части математического и естественнонаучного цикла Б2.02 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилям:
1. Высоковольтные электроэнергетика и электротехника;
2. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии;
3. Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем;
4. Электрические станции;
5. Электроэнергетические системы и сети;
6. Гидроэлектростанции;
7. Электроснабжение
направления 140400 Электроэнергетика и электротехника.
Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Физика» и «Математика» в объеме школьной программы.
Знания, полученные по освоению дисциплины необходимы для дальнейшего освоения общетехнических и специальных дисциплин.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- способность демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин и готовность использовать основные законы физики в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-2);
- готовность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и способность привлечь для их решения соответствующих физико-математический аппарат (ПК-3);
- способность выполнять численные и экспериментальные исследования, проводить обработку и анализ результатов (ПК-14);
- способность использовать технические средства для измерения основных параметров электроэнергетических и электротехнических объектов и систем и происходящих в них процессов (ПК -18);
- способность к дальнейшему обучению на втором уровне высшего профессионального образования, получению знаний в рамках одного из конкретных профилей в области научных исследований и педагогической деятельности (ПК -33).
В результате освоения дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:
Знать:
основные физические законы, явления и процессы, на которых основаны принципы действия объектов профессиональной деятельности и средств контроля и измерения.
Уметь:
Использовать для решения прикладных задач основные законы и понятия.
Владеть:
навыками описания основных физических явлений и решения типовых задач.
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 10 зачетных единиц, 360 часов.
№ п/п | Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации | Всего часов на раздел | Семестр | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и | Формы текущего контроля успеваемости (по разделам) | |||
лк | пр | лаб | сам. | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
1 | Механика и молекулярная физика | 92 | 1 | 34 | 34 | 17 | 7 | Контрольная работа по механике. Защита лаборатор-ных работ по механике. Контрольная работа по молекулярной физике. Защита лаборатор-ных работ по молекулярной физике. |
2 | Электричество и магнетизм | 94 | 2 | 34 | 34 | 17 | 9 | Контрольная работа по электростатике. Защита лаборатор-ных работ по электростатике. Контрольная работа по магнетизму. Защита лаборатор-ных работ по магнетизму. |
3 | Оптика. Квантовая физика. Статистическая физика. Теория проводимости. Ядерная физика | 60 | 3 | 36 | 0 | 18 | 6 | Защита лаборатор-ных работ по волновой оптике. Защита лаборатор-ных работ по атомной физике. |
Зачет | 2 2 2 | 1 2 3 | -- | -- | -- | 2 2 2 | ||
Экзамен | 36 36 36 | 1 2 3 | -- | -- | -- | 36 36 36 | устный устный устный | |
Итого: | 360 | 104 | 68 | 52 | 136 |
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения
4.2.1. Лекции
I семестр
1.1 Физические основы механики.
Предмет физики. Физические модели. Механика. Кинематика материальной точки. Скорость, ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорения. Кинематический закон движения материальной точки. Кинематика поступательного и вращательного движения твердого тела. Связь угловых кинематических параметров с соответствующими линейными величинами.
Динамика материальной точки, системы материальных точек и поступательного движения твердого тела. Центр масс механической системы и закон его движения.
Динамика вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси. Момент силы и момент импульса тела относительно оси. Момент инерции тела относительно оси. Теорема Штейнера. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси.
Законы сохранения в механике. Закон сохранения импульса. Закон сохранения момента импульса. Энергия. Работа. Кинетическая энергия. Кинетическая энергия вращающегося тела. Кинетическая энергия механической системы и ее связь с работой внешних и внутренних сил. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальные поля. Потенциальная энергия материальной точки и системы материальных точек. Поле центральных сил. Механическая энергия системы тел. Закон изменения и сохранения механической энергии системы тел. Удар абсолютно упругих и неупругих тел. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности Галилея.
1.2. Элементы специальной теории относительности.
Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Относительность одновременности, относительность длин и промежутков времени, интервал между двумя событиями и его инвариантность. Релятивистский закон сложения скоростей.
Динамика материальной точки. Релятивистский импульс. Релятивистское уравнение динамики материальной точки. Кинетическая энергия. Закон взаимосвязи массы и энергии. Вектор энергии-импульса.
1.3. Основы молекулярной физики и термодинамики.
Статистические и термодинамические методы исследования. Термодинамические параметры. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Молекулярно-кинетическая теория газов. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории для давления идеального газа. Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры. Внутренняя энергия идеального газа.
Работа, количество теплоты. Первое начало термодинамики. Политропные процессы. Теплоемкость. Тепловые машины. Цикл Карно и его КПД. Неравенство Клаузиуса.
Термодинамическое равновесие системы. Макро - и микросостояния. Статистический вес. Энтропия и ее свойства. Второе начало термодинамики.
Закон Максвелла для распределения молекул по скоростям. Закон Больцмана для распределения молекул и частиц в потенциальном поле.
Явления переноса в термодинамических неравновесных системах. Длина свободного пробега.
II семестр
2.1. Электростатика.
Уравнения Максвелла. Электростатическое поле в вакууме. Вектор напряженности электростатического поля и методы его расчета. Потенциал. Связь между потенциалом и напряженностью поля. Методы расчета потенциала. Диполь в электростатическом поле.
Электростатическое поле в веществе. Типы диэлектриков Электронная и ориентационная поляризации. Вектор поляризации. Свободные и связанные заряды. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике. Вектор электрического смещения. Диэлектрическая проницаемость вещества. Граничные условия на границе раздела двух сред.
Проводники в электростатическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике. Постоянный электрический ток.
Электроемкость уединенного проводника. Взаимная емкость двух проводников. Конденсаторы. Энергия заряженного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.
2.2. Электромагнетизм.
Постоянное магнитное поле в вакууме. Закон Ампера. Вектор индукции магнитного поля и методы его расчета. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент. Закон Био-Савара-Лапласа. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме. Метод суперпозиции полей. Расчет поля кругового тока, длинного соленоида и тороида.
Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Вывод закона Фарадея-Максвелла. Индуктивность. Явление самоиндукции и взаимной индукции. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии.
Магнитное поле в веществе. Микротоки. Вектор намагниченности. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Вектор напряженности магнитного поля. Связь между векторами индукции, напряженности и намагниченности. Магнитная проницаемость вещества. Граничные условия на границе раздела двух сред. Классификация магнетиков. Электронная теория диа - и парамагнетиков. Основные свойства ферромагнетиков. Домены. Точка Кюри.
Уравнения Максвелла. Переменное магнитное поле и его свойства. Волны. Вектор Умова-Пойнтинга.
III семестр
3.1. Физические основы оптики.
Волновые свойства света. Интерференция. Когерентность и методы ее осуществления. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников света. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера на одной щели. Дифракционная решетка.
Корпускулярные свойства света. Масса и импульс фотона. Фотоэффект. Корпускулярно-волновой дуализм свойств света.
3.2. Физические основы квантовой механики.
Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Квантово-механическое описание движения микрочастицы. Волновая функция и ее статистический смысл. Уравнение Шредингера. Стационарное состояние. Частица в одномерной потенциальной яме бесконечной глубины. Квантование энергии. Потенциальный барьер, туннельный эффект.
Квантово-механическая модель атома водорода. Квантование энергии, момента импульса и проекции момента импульса электрона. Квантовые числа. Спектры излучения атома водорода. Спин электрона. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры.
3.3. Элементы статистической физики и теории проводимости
Методы описания состояния макросистемы. Термодинамический метод. Статистический метод. Изображение состояния термодинамической системы в фазовом пространстве. Фазовые ячейки и их заполняемость. Критерий вырождения газа. Функция распределения и ее физический смысл. Статистики Максвелла-Больцмана, Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака.
Равновесное тепловое излучение. Фотонный газ. Абсолютно черное тело. Распределение Бозе-Эйнштейна. Подсчет числа фотонов с энергией от ε до ε + dε. Формула Планка. Законы теплового излучения. Оптическая пирометрия.
Квантовая теория свободных электронов в металлах. Распределение Ферми-Дирака. Подсчет числа частиц с энергией от ε до ε + dε. Энергия Ферми. Влияние температуры на распределение электронов. Теплоемкость. Электропроводность металлов.
Зонная теория проводимости твердого тела. Расщепление энергетических уровней атома при формировании кристаллической решетки твердого тела.
Разрешенные и запрещенные зоны. Валентная зона и зона проводимости. Деление твердых тел на проводники, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории твердых тел. Собственная и примесная проводимость полупроводников и ее зависимость от температуры.
Контактные явления. Работа выхода. Внутренняя и внешняя контактная разность потенциалов. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода. Внутренний фотоэффект. Солнечные батареи.
3.4. Элементы физики атомного ядра.
Состав ядра. Нуклоны. Заряд, размер и масса ядра. Дефект масс и энергия связи ядра. Взаимодействие нуклонов и понятие о природе и свойствах ядерных сил.
Ядерные реакции. Реакция деления ядра. Цепкая ядерная реакция. Критическая масса. Проблемы ядерной энергетики. Реакция синтеза атомного ядра. Проблемы управляемой термоядерной реакции.
4.2.2. Практические занятия
I семестр
1 занятие. Кинематика.
2 занятие. Динамика материальной точки.
3 занятие. Движение материальной точки по окружности.
4, 5 занятия. Динамика вращательного движения твердого тела.
6, 7 занятия. Законы сохранения импульса, энергии и момента импульса.
8 занятие. Контрольная работа.
9 занятие. Уравнение состояния идеального газа.
10 занятие. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа.
11 занятие. Первое начало термодинамики.
12 занятие. Теплоемкость.
13 занятие. Тепловые машины и их К. П.Д. Энтропия.
14 занятие. Контрольная работа по молекулярной физике.
15 занятие. Распределение молекул по скоростям Максвелла. Распределение Больцмана.
16 занятие. Явления переноса.
17 занятие. Зачетное занятие.
II семестр
1, 2 занятия. Методы расчета вектора напряженности электростатического поля.
3 занятие. Потенциал и методы его расчета.
4, 5 занятия. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле.
6 занятие. Электроемкость. Конденсаторы. Энергия электростатического поля.
7 занятие. Консультация по методике выполнения типового расчета по электростатике.
8 занятие. Контрольная работа по электростатике.
9 занятие. Обобщенный закон Ома для участка цепи. Законы Кирхгофа.
10 занятие. Методы расчета вектора индукции магнитного поля.
11 занятие Действие магнитного поля на ток и движущийся заряд.
12 занятие Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.
13 занятие Явление электромагнитной индукции.
14 занятие. Контрольная работа по магнетизму.
15 занятие. Индуктивность. Э. Д.С. самоиндукции и взаимной индукции.
Энергия магнитного поля.
16 занятие. Уравнения Максвелла. Магнитное поле в среде.
17 занятие. Зачетное занятие.
III семестр
Практические занятия учебным планом не предусмотрены.
4.3. Лабораторные работы
I семестр
1. Погрешности при физических измерениях. Измерение объема цилиндра.
2. Определение плотности вещества и моментов инерции цилиндра и кольца.
3. Изучение законов сохранения при соударении шаров.
4. Изучение закона сохранения импульса.
5. Определение скорости пули методом физического маятника.
6. Определение средней силы сопротивления грунта и изучение неупругого соударения
груза и сваи на модели копра.
7. Изучение динамики вращательного движения твердого тела и определение момента
инерции маятника Обербека.
8. Изучение динамики плоского движения маятника Максвелла.
9. Определение момента инерции маховика.
10. Определение момента инерции трубы и изучение теоремы Штейнера.
11. Изучение динамики поступательного и вращательного движения с помощью прибора
Атвуда.
12. Определение момента инерции плоского физического маятника.
13. Определение удельной теплоты кристаллизации и изменения энтропии при охлаждении
сплава олова.
14. Определение молярной массы воздуха..
15. Определение отношения теплоемкостей Сp/Cv газов.
16. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул
воздуха.
17. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.
ІІ семестр
1. Исследование электрического поля с помощью электролитической ванны.
2. Определение электрической емкости конденсатора баллистическим гальванометром.
3. Весы напряжения.
4. Определение емкости коаксиального кабеля и плоского конденсатора.
5. Изучение диэлектрических свойств жидкостей.
6 Определение диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика.
7. Изучение электродвижущей силы методом компенсации.
8 Определение индукции магнитного поля измерительным генератором.
9. Измерение индуктивности системы катушек.
10. Изучение переходных процессов в цепи с индуктивностью.
11. Измерение взаимной индуктивности.
12. Изучение кривой намагничивания железа по методу Столетова.
13. Ознакомление с осциллографом и изучение петли гистерезиса.
14. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона..
ІІІ семестр
1. Измерение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля.
2. Определение длины волны света методом колец Ньютона.
3. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки.
4. Изучение дифракции в параллельных лучах.
5. Изучение линейной дисперсии спектрального прибора.
6. Изучение дифракции Фраунгофера на одной и двух щелях.
7. Экспериментальная проверка закона Малю.
8. Исследование линейных спектров испускания.
9 Изучение свойств лазерного излучения.
10 Определение потенциала возбуждения атомов по методу Франка и Герца.
11. Определение ширины запрещенной зоны кремния по красной границе внутреннего
фотоэффекта.
12 Определение красной границы фотоэффекта и работы выхода электрона из металла.
13. Измерение температуры спирали лампы с помощью оптического пирометра.
4.4 Расчетные задания
І семестр
Расчетные задания учебным планом не предусмотрены.
ІІ семестр
Методы расчета напряженности поля.
Методы расчета вектора смещения.
Методы расчета потенциала.
Определение емкости системы и расчет энергии электрического поля.
Методы расчета вектора индукции магнитного поля.
С. индукции.
Магнитное поле в веществе.
ІІІ семестр
Интерференция
Дифракция
Фотоэффект
Потенциальная яма. Потенциальный барьер.
Атом водорода
Квантовые числа
Тепловое излучение
4.5. Курсовые проекты и курсовые работы
Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен.
5. Образовательные технологии.
Весь курс физики подкреплен электронной базой знаний (Э. Б.З.) которая включает в себя содержание лекций по всем разделам читаемого курса, литературу для проведения практических занятий и лабораторных работ, лекционные демонстрации, вопросы для самостоятельного контроля знаний и ряд других материалов.
Лекционные занятия проводятся как в традиционной форме так и в форме лекций-визуализаций с использованием презентаций и видеороликов. Кроме того широко используются лекционные демонстрации.
Практические занятия проводятся в традиционной форме.
Самостоятельная работа включает подготовку к текстам и контрольным работам, оформление типовых расчетов и подготовку к защите лабораторных работ, подготовку к зачету и экзамену.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, контрольные работы, устный опрос.
Аттестация по дисциплине – зачеты и экзамены
Оценка за освоение дисциплины, которая выносится в приложении к диплому, определяется как оценка за второй семестр.
7. Учебно - методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1 Литература:
а) основная
1. Савельев общей физики, Т. 1.- СПб: Издательство «Лань», 2007 г.
2. Савельев общей физики, Т. 2.- СПб: Издательство «Лань», 2007 г.
3. Савельев общей физики», Т. 3.- СПб: Издательство «Лань», 2007 г.
4. , Яворский физики. – М.: Издательство Высшая школа, 2000 г.
5. , , Кубарев и молекулярная физика. Сборник задач. – М.: Издательство МЭИ, 2006 г.
6. Электричество. Сборник задач // Под редакцией М.: Издательство МЭИ, 1992 г.
7. , , Зелепукина и молекулярная
физика. Лабораторный практикум. – М.: Издательство МЭИ, 2003 г.
8. Физика. Электродинамика. Колебательные и волновые процессы. Лабораторный
практикум // Под редакцией М.: Издательство МЭИ, 2005 г.
9. , , Янина оптика и атомная физика. Лабораторный практикум. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008 г.
10. , Дмитриев задач по физике с решениями для ВТУЗов. М.: Издательство «Высшая школа», 2003 г.
б) дополнительная
1. Иродов . Основные законы. М.: Издательство «Лаборатория базовых знаний», 2001 г.
2. Иродов . Основные законы. М.: Издательство «Лаборатория базовых знаний», 2001 г.
3. Иродов процессы. Основные законы. М.: Издательство «Лаборатория базовых знаний», 2001 г.
4. Иродов физика, основные законы. – М.: Издательство «Лаборатория базовых знаний», 2001 г.
5. Иродов макросистем. Основные законы. М.: Издательство «Лаборатория базовых знаний», 2001 г.
7.2. Электронные образовательные ресурсы
лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
www. auditoriya. info/index/students_fizika/id.488 - Электронный учебно-методический комплекс по физике для студентов МЭИ.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для обеспечения учебного процесса имеются две лекционные аудитории, снабженные мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и показа учебных фильмов, а также демонстрационный кабинет.
Для проведения лабораторных работ имеются лаборатории механики и молекулярной физики, электричества и магнетизма, оптики и атомной физики.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 140400 Электроэнергетика и электротехника.
ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:
ст. преподаватель
"СОГЛАСОВАНО":
Директор ИЭЭ
к. т.н.
"УТВЕРЖДАЮ":
Зав. кафедрой физики им.
к. т.н., профессор
