Физика (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ульяновский государственный педагогический университет имени »

(ФГБОУ ВПО «УлГПУ им. »)

Кафедра физики

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

_______________

«_____» ________________ 2012 г.

ФИЗИКА

Программа учебной дисциплины федерального компонента
для специальности 050103.65 География
(заочная форма обучения)

Составитель: ,

кандидат физико-математических наук, доцент

Рассмотрено и утверждено на заседании учёного совета естественно-географического
факультета (протокол от «____» ______________ 2012 г. № ____).

Ульяновск, 2012

1. Пояснительная записка

Рабочая программа дисциплины "Физика" составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 050103.65 "География" от 01.01.01 года (номер государственной регистрации № 000 пед/сп) и в соответствии с учебным планом рабочим учебным планом специальности 032500 География (050103 по ОКСО) от 01.01.2001 года протокол

1.1. Актуальность дисциплины

Физика является важнейшим источником знаний об окружающем мире, основой научно-технического прогресса и важнейшим компонентом человеческой культуры. Её значение в современном образовании исключительно высоко, так как изучение физики как науки, отражающей наиболее общие закономерности в природе, формирует у студентов основные представления о естественнонаучной картине мира. Совместно с математикой физика занимает в обучении студентов одно из важных мест: курс является базовым для изучения дальнейших дисциплин, определяет физико-математическую подготовку студентов и, естественно, служит основой, на которой строится дальнейшее обучение студентов.

Программа дисциплины "Физика" включает в себя панораму наиболее универсальных методов, законов и моделей современной физики, демонстрирует специфику рационального метода познания окружающего мира, сосредотачивает усилия на формировании у студентов общего физического мировоззрения и развитии физического мышления. Мы придерживаемся устоявшейся точки зрения, согласно которой дисциплина "Физика" должна представлять собой целостный и фундаментальный курс, единый в своих частях и демонстрирующий роль физики как основы всего современного естествознания. Распространенное расчленение физики на классическую и современную, представляется в настоящее время устаревшим. При построении курса следует также учитывать, что физика как наука и физика как учебная дисциплина понятия не тождественные. В основании современной естественнонаучной картины мира лежат физические принципы и концепции; в этой связи роль физики как основы всего естествознания трудно переоценить. С другой стороны, физика является теоретической базой, без которой невозможна успешная деятельность выпускника вуза.

Данная программа отражает современное состояние физики и её приложений. В ней естественным образом сочетаются макро - и микроскопические подходы. В её разделах вскрыты внутренние логические связи. Порядок расположения материала соответствует современной структуре физики как науки и отражает мировой педагогический опыт.

1.2. Требования государственного образовательного стандарта к обязательному минимуму содержания дисциплины

ЕН. Ф.03

Физика Физические основы механики; колебания и волны; молекулярная физика и термодинамика; электричество и магнетизм; оптика; атомная и ядерная физика; физический практикум.

200

1.3. Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины "Физика" является формирование личности будущего учителя, подготовка специалистов к преподаванию в современной школе, овладение научным методом познания; овладение основами современной общей и экспериментальной физики, научным методом познания; выработка у студентов навыков самостоятельной учебной деятельности, развитие у них познавательной потребности.

Цель дисциплины: познакомить студентов с современной физической картиной мира, дать навыки экспериментального исследования физических явлений и процессов, изучить теоретические методы анализа физических явлений, обучить грамотному применению положений фундаментальной физики к научному анализу ситуаций, с которыми специалисту приходится сталкиваться при создании новой техники и технологий, а также выработки у студентов основ естественнонаучного мировоззрения и ознакомления с историей развития физики и основных её открытий.

Целью изучения дисциплины "Физика" является создание у студентов основ достаточно широкой теоретической подготовки в области физики, позволяющей ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающей им возможность использования новых физических принципов в тех областях техники, в которых они специализируются.

Особенности дисциплины: изложение ведётся на минимальном уровне содержания дисциплины, предполагающем привить способность воспроизводить типовые ситуации, использовать их в решении простейших задач. На этом уровне рассматриваются только модельные представления, описывающие достаточно ограниченный круг экспериментальных ситуаций.

Задачами дисциплины "Физика" являются обучение студентов научным знаниям по основным разделам физики, овладение элементарными навыками в проведении физических экспериментов, теоретическими и экспериментальными методами решения физических задач; формирование современной физической картины мира.

Приоритетами курса являются:

• изучение основных физических явлений; овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями классической и современной физики, а также методами физического исследования;

• овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики;

• ознакомление с лабораторным оборудованием, формирование навыков проведения физического эксперимента, умения выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах будущей деятельности.

1.4. Требования к уровню усвоения содержания дисциплины

Уровень подготовки студента, изучившего дисциплину "Физика", характеризуется его способностью выполнять следующие виды деятельности:

Знать:

·  выявлять существенные признаки, устанавливать характерные закономерности при наблюдении и экспериментальных исследованиях физических явлений и процессов;

·  опознавать в природных явлениях известные физические модели;

·  применять для описания физических явлений известные физические модели;

·  строить математические модели для описания простейших физических явлений;

·  владеть различными способами представления физической информации;

·  выражать физическую информацию различными способами (в вербальной, знаковой, аналитической, математической, графической, схемотехнической, образной, алгоритмической формах);

·  давать определения основных физических понятий и величин;

·  формулировать основные физические законы и границы их применимости;

·  использовать международную систему единиц измерения физических величин (СИ) при физических расчётах и формулировке физических закономерностей;

·  владеть методом оценки порядка физических величин при их расчётах;

·  владеть методом размерностей для выявления функциональной зависимости физических величин;

·  владеть основными методами экспериментальных физических исследований (методом физического моделирования, сравнения, эквивалентного замещения);

·  получать ответы при решении физических задач, тематика которых соответствует содержанию курса;

·  решать простейшие экспериментальные физические задачи, используя методы физических исследований,

·  использовать численные значения фундаментальных физических констант для оценки результатов простейших физических экспериментов;

·  применять знание физических теорий для анализа незнакомых физических ситуаций;

·  аргументировать научную позицию при анализе лженаучных, псевдонаучных и антинаучных утверждений;

·  называть и давать словесное и схемотехническое описание основных физических экспериментов;

·  называть фамилии учёных физиков, внёсших существенный вклад в развитие физической науки;

·  структурировать физическую информацию, используя научный метод исследования;

Уметь:

·  владеть физическим научным языком;

·  описывать физические явления и процессы, используя физическую научную терминологии;

·  проводить численные расчёты физических величин при решении физических задач и обработке экспериментальных результатов;

·  измерять основные физические величины, указывая погрешности измерений.

2. Структура учебной дисциплины

2.1. Объём дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Семестр	Семестр
2	4
Общая трудоёмкость дисциплины	200	200
Аудиторные занятия	22	22
Лекции	14	14
Практические занятия	0	0
Семинары	0	0
Лабораторные работы	8	8
И (или) другие виды аудиторных занятий	0	0
Самостоятельная работа	178	178
И (или) другие виды самостоятельной работы	0	0
Вид итогового контроля	зачёт	зачёт

2.2. Тематический план изучения учебной дисциплины

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Лекции	Практи-ческие занятия	Лаб. занятия	Самост. работа	Всего
1.	Механика. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика. Электричество и магнетизм. Колебания и волны. (2 семестр).	14	0	8	178	200
2.	Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика и физика атома. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц. (4 семестр)	14	0	8	178	200
	Общая трудоёмкость (час.)	28	0	16	356	400

3. Содержание дисциплины

3.1. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Механика. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика. Электричество и магнетизм. Колебания и волны. (2 семестр).

Дидактическая единица 1. Механика.

Тема 1.1. Кинематика.

Основные кинематические характеристики криволинейного движения: скорость и ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорение. Кинематика вращательного движения: угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейной скоростью и ускорением.

Тема 1.2. Динамика.

Инерциальные системы отсчёта и первый закон Ньютона. Второй закон Ньютона. Масса, импульс, сила. Уравнение движения материальной точки. Третий закон Ньютона и закон сохранения импульса. Закон всемирного тяготения. Силы трения.

Тема 1.3. Момент импульса.

Момент импульса материальной точки и механической системы. Момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса механической системы.

Тема 1.4. Энергия.

Сила, работа и потенциальная энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Работа и кинетическая энергия. Закон сохранения полной механической энергии в поле потенциальных сил.

Тема 1.5. Динамика вращательного движения.

Основное уравнение динамики вращательного движения твёрдого тела с закреплённой осью вращения. Момент импульса тела. Момент инерции. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося твёрдого тела.

Тема 1.6. Элементы механики сплошных сред.

Общие свойства жидкостей и газов. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли. Идеально упругое тело. Упругие напряжения и деформации. Закон Гука. Модуль Юнга.

Тема 1.7. Релятивистская механика.

Принцип относительности и преобразования Галилея. Неинвариантность электромагнитных явлений относительно преобразований Галилея. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Относительность одновременности и преобразования Лоренца. Парадоксы релятивистской кинематики: сокращение длины и замедление времени в движущихся системах отсчёта. Релятивистский импульс. Взаимосвязь массы и энергии в специальной теории относительности. Специальная теория относительности и ядерная энергетика.

Дидактическая единица 2. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика.

Тема 2.1. Феноменологическая термодинамика.

Термодинамическое равновесие и температура. Нулевое начало термодинамики. Эмпирическая температурная шкала. Квазистатические процессы. Уравнение состояния в термодинамике. Обратимые и необратимые процессы. Первое начало термодинамики. Теплоёмкость. Уравнение Майера. Изохорический, изобарический, изотермический, адиабатический процессы в идеальных газах. Преобразование теплоты в механическую работу. Цикл Карно и его коэффициент полезного действия. Энтропия.

Тема 2.2. Молекулярно-кинетическая теория.

Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Теплоёмкость и число степеней свободы молекул газа. Распределение Максвелла для модуля и проекций скорости молекул идеального газа. Экспериментальное обоснование распределения Максвелла. Распределение Больцмана и барометрическая формула.

Тема 2.3. Элементы физической кинетики.

Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение.

Броуновское движение.

Дидактическая единица 3. Электричество и магнетизм.

Тема 3.1. Электростатика.

Закон Кулона. Напряжённость и потенциал электростатического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме и её применение для расчёта электрических полей.

Тема 3.2. Проводники в электрическом поле.

Равновесие зарядов в проводнике. Основная задача электростатики проводников. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля между проводниками. Электростатическая защита. Ёмкость проводников и конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.

Тема 3.3. Диэлектрики в электрическом поле.

Электрическое поле диполя. Диполь во внешнем электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Ориентационный и деформационный механизмы поляризации. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в однородном диэлектрике.

Тема 3.4. Постоянный электрический ток.

Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности для плотности тока. Закон Ома в интегральной и дифференциальной формах. Закон Джоуля-Ленца. Закон Видемана-Франца. Электродвижущая сила источника тока. Правила Кирхгофа.

Тема 3.5. Магнитостатика.

Магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца. Движение зарядов в электрических и магнитных полях. Закон Био-Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции (закон полного тока).

Тема 3.6. Магнитное поле в веществе.

Магнитное поле и магнитный дипольный момент кругового тока. Намагничение магнетиков. Напряжённость магнитного поля. Магнитная проницаемость. Классификация магнетиков.

Тема 3.7. Электромагнитная индукция.

Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Уравнение электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность соленоида. Включение и отключение катушки от источника постоянной ЭДС. Энергия магнитного поля.

Тема 3.8. Уравнения Максвелла.

Система уравнений Максвелла в интегральной форме и физический смысл входящих в неё уравнений.

Дидактическая единица 4. Колебания и волны.

Тема 4.1. Гармонические колебания.

Идеальный гармонический осциллятор. Уравнение идеального осциллятора и его решение. Амплитуда, частота и фаза колебания. Примеры колебательных движений различной физической природы. Свободные затухающие колебания осциллятора с потерями. Вынужденные колебания.

Сложение колебаний (биения, фигуры Лиссажу). Разложение и синтез колебаний, понятие о спектре колебаний. Связанные колебания.

Тема 4.2. Волны.

Волновое движение. Плоская гармоническая волны. Длина волны, волновое число, фазовая скорость. Уравнение волны. Одномерное волновое уравнение. Упругие волны в газах жидкостях и твёрдых телах. Плоские и сферические электромагнитные волны. Поляризация волн.

Раздел 2. Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика и физика атома. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц. (4 семестр).

Дидактическая единица 5. Волновая и квантовая оптика.

Тема 5.1. Интерференция волн.

Интерференционное поле от двух точечных источников. Опыт Юнга. Интерферометр Майкельсона. Интерференция в тонких плёнках. Многолучевая интерференция.

Тема 5.2. Дифракция волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на простейших преградах. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решётка как спектральный прибор. Понятие о голографическом методе получения и восстановления изображений.

Тема 5.3. Поляризация волн.

Форма и степень поляризации монохроматических волн. Получение и анализ линейно-поляризованного света. Линейное двулучепреломление. Прохождение света через линейные фазовые пластинки. Искусственная оптическая анизотропия. Фотоупругость. Циркулярная фазовая анизотропия. Электрооптические и магнитооптические эффекты.

Тема 5.4. Поглощение и дисперсия волн.

Феноменология поглощения и дисперсии света.

Тема 5.5. Квантовые свойства электромагнитного излучения.

Излучение нагретых тел. Спектральные характеристики теплового излучения. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина. Абсолютно чёрное тело. Формула Рэлея-Джинса и "ультрафиолетовая катастрофа". Гипотеза Планка. Квантовое объяснение законов теплового излучения. Корпускулярно-волновой дуализм света.

Фотоэффект и эффект Комптона. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Опыт Боте.

Дидактическая единица 6. Квантовая физика и физика атома.

Тема 6.1. Планетарная модель атома.

Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Эмпирические закономерности в атомных спектрах. Формула Бальмера.

Тема 6.2. Элементы квантовой механики.

Гипотеза де Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера. Дифракция микрочастиц. Принцип неопределённости Гейзенберга. Волновая функция, её статистический смысл и условия, которым она должна удовлетворять. Уравнение Шрёдингера. Квантовая частица в одномерной потенциальной яме. Одномерный потенциальный порог и барьер.

Тема 6.3. Квантовомеханическое описание атомов.

Стационарное уравнение Шрёдингера для атома водорода. Волновые функции и квантовые числа. Правила отбора для квантовых переходов. Опыт Штерна и Герлаха. Эффект Зеемана.

Тема 6.4. Оптические квантовые генераторы.

Спонтанное и индуцированное излучение. Инверсное заселение уровней активной среды. Основные компоненты лазера. Условие усиления и генерации света. Особенности лазерного излучения. Основные типы лазеров и их применение.

Дидактическая единица 7. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.

Тема 7.1. Основы физики атомного ядра.

Состав атомного ядра. Характеристики ядра: заряд, масса, энергия связи нуклонов. Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения. Ядерные реакции. Деление ядер. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений. Понятие о дозиметрии и защите.

Тема 7.2. Элементарные частицы.

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц. Частицы и античастицы. Лептоны и адроны. Кварки. Электрослабое взаимодействие.

3.2. Лекционный курс

Раздел 1. Механика. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика. Электричество и магнетизм. (2 семестр).

1.1. Механика.

Лекция 1. Физические основы механики. Кинематика и динамика.

Лекция 2. Динамика частиц. Законы сохранения.

1.2. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика.

Лекция 3. Идеальный газ. Молекулярно-кинетическая теория. Статистические распределения. Основы термодинамики. Первое и второе начала термодинамики.

Лекция 4. Реальные газы и жидкости. Явления переноса. Твёрдые тела.

1.3. Электричество и магнетизм.

Лекция 5. Электростатика.

Лекция 6. Магнитостатика.

Лекция 7. Электрический ток. Уравнения Максвелла.

Раздел 2. Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика и физика атома. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц. (4 семестр).

2.1. Волновая оптика.

Лекция 1. Интерференция света.

Лекция 2. Дифракция света.

2.2. Квантовая оптика.

Лекция 3. Квантовые свойства излучения.

2.3. Квантовая физика и физика атома.

Лекция 4. Атом водорода. Корпускулярно-волновой дуализм свойств микрочастиц.

Лекция 5. Уравнение Шрёдингера.

2.4. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц.

Лекция 6. Атомное ядро. Радиоактивность.

Лекция 7. Ядерные реакции. Элементарные частицы.

3.3. Перечень лабораторных работ физического практикума

Раздел 1. Механика. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика. Электричество и магнетизм. (2 семестр).

(М-4). Проверка второго закона Ньютона на машине Атвуда.

(М-3). Определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника.

(М-10). Проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера.

(М-15). Определение модуля Юнга из растяжения на приборе Лермонтова.

(Т-4). Изучение теплового расширения твёрдых тел. Определение коэффициента линейного расширения металлов.

(Т-5). Определение универсальной газовой постоянной методом откачки.

(Т-9). Определение абсолютной и относительной влажности воздуха.

(Э-1). Исследование электрических полей методом моделирования.

(Э-3). Изучение электроизмерительных приборов. Методы расширения пределов измерение электроизмерительных приборов.

(Э-14). Изучение магнитного поля Земли.

(Э-19). Изучение стоячих электромагнитных волн с помощью двух проводной линии.

(Э-21). Изучение законов Ома для однородного участка цепи постоянного тока.

Раздел 2. Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика и физика атома. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц. (4 семестр).

(O-18). Изучения явления поляризации света. Проверка закона Малюса.

(O-9). Определение длины волны света с помощью дифракционной решётки.

(O-8). Определение длины световой волны с помощью установки для наблюдения колец Ньютона.

(O-14). Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

(А-4). Изучение явления внешнего фотоэффекта и его закономерностей.

(А-1). Изучение спектра атома водорода. Изучение сериальных закономерностей в спектре атома водорода. Определение постоянной Ридберга и массы электрона.

(А-10). Исследование характеристик теплового излучения вольфрамовой лампы накаливания.

(А-5). Изучение лазера. Исследование свойств лазерного излучения.

Примечание. Номера лабораторных работ, указанные в скобках, соответствуют перечню работ физической лаборатории.

На выполнение лабораторных работ по всем разделам отводится 16 часов. В ходе выполнения лабораторного курса предполагается ознакомить студентов с основными методами экспериментальных исследований, обработки результатов физических измерений.