Физика и химия (стр. 2 )

1.2. Кинематика

Механическое движение как простейшая форма движения материи. Кинематика движения материальной точки в пространстве. Система координат и системы отсчета. Радиус – вектор и его модуль.

Основные кинематические характеристики движения частиц: перемещение, скорость, ускорение. Средняя скорость, мгновенная скорость, модуль вектора скорости. Нормальное и тангенциальное ускорения. Кинематика движения по криволинейной траектории. Прямолинейное движение материальной точки.

Кинематика движения твердого тела. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Движение материальной точки по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейными характеристиками движения. Вектор угла поворота и вектор угловой скорости.

1.3. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела. Гравитационные силы

Принцип относительности Галилея. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Инвариантность. Преобразования Галилея.

Масса. Сила. Импульс материальной точки. Взаимодействие материальных тел. Второй и третий закон Ньютона.

Гравитационное поле. Сила тяготения. Эквивалентность инертной и гравитационной массы. Сила тяжести. Ускорение свободного падения. Космические скорости. Искусственные спутники Земли.

1.4. Динамика системы частиц и твердого тел. Законы сохранения

Понятие замкнутой системы. Внешние и внутренние силы. Импульс системы материальных тел. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Центр инерции.

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. Силовое поле. Потенциальная энергия системы взаимодействующих тел. Потенциальная энергия материальной точки во внешнем силовом поле и ее связь с силой, действующей на материальную точку.

Закон сохранения механической энергии. Диссипация энергии

Момент импульса системы материальных точек. Момент силы. Основное уравнение динамика вращательного движения. Закон сохранения момента импульса.

Момент импульса твердого тела относительно неподвижной оси. Уравнение движения твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Вращательный момент. Плечо силы. Момент инерции тела относительно оси. Момент инерции твердых тел разной формы. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия твердого тела, совершающего поступательное и вращательное движения. Работа тела при вращательном движении.

Общефизический закон сохранения энергии. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.

1.5. Элементы релятивистской динамики

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.

1.6. Элементы механики сплошных сред

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. Движение тел в жидкостях и газах.

Идеально упругое тело. Деформация. Виды деформации. Упругие деформации и напряжения. Закон Гука. Пластические деформации. Предел и запас прочности. Вес тела.

Трение, виды трения. Сила трения.

РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

2.1.Стационарное электрическое поле в вакууме

Электрический заряд, его дискретность. Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие двух точечных электрических зарядов. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

Поток вектора напряженности электростатического поля. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме и ее применение к расчету полей.

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле. Потенциал - энергетическая характеристика поля. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда. Напряженность поля как градиент потенциала. Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля.

2.2 Диэлектрики в электрическом поле

Электрический диполь. Дипольный момент. Электрическое поле диполя. Диполь в электростатическом (однородном и неоднородном) поле.

Плоский конденсатор с диэлектриком. Диэлектрики. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Диэлектрики в электрическом поле. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Поляризованность. Полярные и неполярные молекулы. Электронная и ориентационная поляризация. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость среды.

Вектор электрического смещения. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в диэлектрике. Плотность энергии электростатического поля в диэлектрике.

2.3 Проводники в электрическом поле

Идеальный проводник в электростатическом поле, поверхностные заряды. Электростатическая индукция. Распределение зарядов в изолированном проводнике. Электростатическая защита. Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость проводящего шара, окруженного однородным диэлектриком.

Конденсаторы. Электроемкость конденсаторов. Плоский конденсатор. Электроемкость плоского конденсатора. Соединение конденсаторов.

Энергия взаимодействия электрических зарядов, заряженного проводника, заряженного конденсатора и электростатического поля. Плотность энергии электростатического поля.

2.4 . Постоянный электрический ток

Условия существования тока. Ток проводимости и конвективный ток. Сила и плотность тока. Закон Ома для участка цепи в дифференциальной и интегральной формах. Сопротивление. Соединение проводников.

Сторонние силы. Разность потенциалов, электродвижущая сила, напряжение. Источники тока. Закон Ома для полной 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.

2.5. Статическое магнитное поле в вакууме. Действие магнитного поля на заряды и электрические токи

Магнитное поле проводника с током. Магнитная индукция. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Эффект Холла.

Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент. Момент сил, действующих на виток с током в магнитном поле.

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 бесконечно длинного соленоида.

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.

2.6. Статическое магнитное поле поля в веществе

Намагничивание вещества. Молекулярные токи. Магнитные моменты атомов. Намагниченность. Магнитное поле в веществе. Напряженность магнитного поля. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Магнитная восприимчивость вещества.

2.7 Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции и его вывод из закона сохранения энергии. Правило Ленца. ЭДС индукции в проводнике, движущимся в магнитном поле.

Явление самоиндукции. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Токи Фуко. Явление взаимоиндукции. Взаимная индуктивность. Трансформатор.

Энергия магнитного поля проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля.

2.8. Уравнения Максвелла

Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме.

2 курс

Раздел 3 Физика колебаний и волн.

3.1 Гармонические колебания

Периодическое движение. Амплитуда, круговая частота и фаза гармонических колебаний. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний и его. Примеры гармонических осцилляторов: пружинный, физический, математический маятник, колебательный контур. Энергия гармонического осциллятора.

Векторные диаграммы. Сложение однонаправленных гармонических колебаний. Биения. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.

Свободные затухающие колебания. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания. Добротность.

Вынужденные колебания гармонического осциллятора при воздействии синусоидальной силы. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Резонанс. Модулированные колебания. Амплитуда и фаза вынужденного колебания. Вынужденные колебания в электрических цепях. Активное и реактивное сопротивления. Мощность в цепи переменного тока.

3.2. Волновые процессы.

Волновое движение и волновые процессы. Плоская стационарная волна. Плоская синусоидальная волна. Продольные и поперечные волны.

Механизм образования волн в упругой среде. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах. Уравнение монохроматической бегущей волны. Длина волны, волновой вектор, фазовая скорость. Волновое число. Одномерное волновое уравнение. Стоячие волны. Узлы, пучности.

Энергетические характеристики упругих волн. Энергия волны. Поток энергии. Вектор Умова.

Акустические волны в газе. Скорость звука в различных средах. Высота и громкость звука. Эффект Доплера.

Свойства электромагнитных волн. Волновое уравнение. Скорость распространения электромагнитных волн. Энергетические характеристики электромагнитных волн. Плотность потока энергии электромагнитного поля, Вектор Пойнтинга. Шкала электромагнитных волн.

3.3. Интерференция и дифракция волн

Принцип суперпозиции для волн. Когерентность и монохроматичность волн. Время и длина когерентности. Расчет интерференционной картины от двух точечных когерентных источников. Оптическая длина пути. Принцип Ферма. Разность хода. Условия интерференционных максимумов и минимумов.

Интерференция света в тонких пленках. Кольца Ньютона. Интерферометры.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Зонная пластинка.

Дифракция Фраунгофера на одной щели. Дифракционная решетка. Разрешающая способность оптических приборов.

3.4. Поляризация света

Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Поляризация света при отражении и преломлении света. Закон Брюстера. Коэффициенты отражения и преломления света.

Двойное лучепреломление в анизотропных кристаллах. Одноосные кристаллы. Поляроиды и поляризационные призмы. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации.

3.5. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

Дисперсия света. Показатель преломления. Групповая скорость. Электронная теория дисперсии. Нормальная и аномальная дисперсии.

Эффект Вавилова – Черенкова.

Раздел 4. Квантовая физика

4.1. Экспериментальное обоснование основных идей квантовой механики

Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон смещения Вина. Противоречия классической физики.

Квантовая гипотеза и формула Планка.

4.2 Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм

Фотоны. Импульс и энергия световых квантов. Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Тормозное рентгеновское излучение. Эффект Комптона. Давление света. Опыты Лебедева.

Гипотеза де - Бройля. Дифракция электронов и нейтронов. Соотношение неопределенностей как проявление корпускулярно-волнового дуализма свойств материи.

4.3. Квантовые состояния и уравнение Шредингера

Задание состояния микрочастиц. Волновая функция и её статистический смысл. Плотность вероятности. Среднее значение физической величины.

Временное уравнение Шредингера. Собственные функции и собственные значения. Стационарные состояния. Стационарное уравнение Шредингера. Спектр энергий.

Уравнение Шредингера для свободной частицы. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Прохождение частицы над и под потенциальным барьером. Туннельный эффект. Коэффициенты отражения и прохождения.

Линейный гармонический осциллятор. Квантование энергии и импульса частицы.

4.4. Атомы и молекулы

Спектр атома водорода. Формула Бальмера. Спектральные серии Планетарная модель атома. Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца

Частица в сферически симметричном поле. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Пространственное распределение плотности вероятности для электрона в атоме водорода. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Опыт Штерна - Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Магнитный момент атома. Эффект Зеемана. Рентгеновские спектры атомов. Закон Мозли.

Спектр газообразного гелия. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Периодическая система .

Молекула водорода. Физическая природа химической связи. Ионная и ковалентная связи. Электронные, колебательные и вращательные состояния многоатомных молекул. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние.

4.5. Элементы квантовой электроники

Стационарные состояния электронов и квантовые переходы. Спонтанное и вынужденное излучение электронов. Поглощение света. Закон Бугера – Ламберта. Инверсная заселенность. Лазеры, принцип работы и конструкция. Свойства лазерного излучения.

4.6. Физика атомного ядра и элементарных частиц

Строение атомного ядра. Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое числа. Состав ядра. Модели ядра. Дефект массы и энергия связи ядра. Удельная энергия связи. Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил.

Условия самопроизвольного распада ядер. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Закономерности и происхождение альфа-, бета - и гамма-излучении атомных ядер. Ядерные реакции и законы сохранения. Энергия реакции. Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Понятие об ядерной энергетике. Ядерный реактор. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций.

Виды взаимодействий. Классы элементарных частиц.

Раздел 5. Статистическая физика и термодинамика

5.1. Молекулярно - кинетическая теория идеального газа

Модель идеального газа. Основное уравнение молекулярно - кинетической теории и следствия из него. Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры. Средняя кинетическая энергия молекул. Число степеней свободы молекул. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул и границы его применения.

Уравнения идеальных газов: закон Дальтона, закон Авогадро, объединенный газовый закон, уравнение Клапейрона – Менделеева. Изопроцессы. Изотермический процесс и закон Бойля-Мариотта. Изобарный процесс и уравнение Гей-Люссака. Изохорный процесс и уравнение Шарля. Работа газа в изопроцессах.

5.2. Термодинамика идеального газа

Макроскопические системы. Равновесные состояния и процессы.

Количество теплоты. Теплоемкость. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии. Внутренняя энергия идеального газа. Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам.

Зависимость теплоемкости идеального газа от вида процесса. Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоемкости идеальных газов и ее ограниченность. Теплоемкость идеального газа при постоянном объеме и постоянном давлении.

Адиабатный процесс. Уравнение Пуассона. Показатель адиабаты. Работа идеального газа в адиабатном процессе.

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. Возрастание энтропии в неравновесных процессах. Границы применимости второго закона термодинамики. Теорема Нернста.

5.3. Функции распределения и явления переноса в газах

Распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). Средняя квадратичная, средняя арифметическая и наиболее вероятная скорости молекул.

Барометрическая формула. Распределение частиц в поле силы тяжести (распределение Больцмана).

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.

5.4 Равновесие фаз и фазовые переходы

Фазы и условия существования фаз. Кривая сосуществования фаз. Изотермы реального газа. Динамическое равновесие между паром и жидкостью. Удельная теплота испарения. Критическая температура. Фазовые превращения. Фазовые диаграммы. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Давление пара над жидкостью. Диаграмма состояний вещества. Фазовые переходы I и II рода.

5.5. Квантовые газы. Электрические и тепловые свойства твердых тел

Идеальный ферми-газ. Распределение Ферми-Дирака. Энтропия идеального Ферми-газа. Распределение Бозе – Эйнштейна. Принцип Нернста и его следствия. Сверхтекучесть.

Собственная проводимость полупроводников. Примесные полупроводники. Р-n – переход. Транзистор.

Теплоемкость кристаллической решетки. Закон Дюлонга –Пти. Теория Эйнштейна.

РАЗДЕЛ 6. ИЕРАРХИЯ СТРУКТУР МАТЕРИИ

Иерархия структур материи: микро-, макро - и мегамиры. 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.

4.3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

В первом семестре студенты делают 3 лабораторных работ по разделам: «Физические основы механики» и «Электричество и магнетизм», в третьем семестре - 4 лабораторных работы по разделам «Электричество и магнетизм», «Колебания и волны», «Квантовая физика», «Термодинамика и статистическая физика». Каждая лабораторная работа выполняется за 4 академических часа.

Примерная тематика лабораторных работ

№ п/п	№ семестра	Раздел дисциплины	Наименование лабораторных работ	Всего часов
1	1	Раздел1. «Физические основы механики»	1.Изучение статистических закономерностей, возникающих при прямых измерениях 2. Изучение метода обработки результатов косвенных измерений 3.Изучение гравитационного поля Земли. 4.Определение модуля Юнга методом изгиба прямоугольного стержня. 5.Определение коэффициента упругости пружины. 6.Определение момента инерции грузов с помощью маятника Обербека.	8
2	1	Раздел 2. «Электричество и магнетизм»	1.Определение емкости конденсатора методом сравнения. 2.Измерение электрического сопротивления проводников с помощью моста Уитстона. 3.Определение электродвижущей силы источников тока методом компенсации. 4. Изучение явления самоиндукции в цепи переменного тока. 5.Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.	8
3	3	Раздел 3. «Физика колебаний и волн»	1.Изучение свободных колебаний физического и математического маятников. 2.Изучение собственных колебаний пружинного маятника. 3.Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона, полученных в монохроматическом свете. 4.Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решётки. 5.Проверка закона Малюса. 6.Определение удельного вращения и концентрации водного раствора сахара.	4
4	3	Раздел 4. «Квантовая механика»	1.Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента и определение постоянной Планка и работы выхода электронов из металла 2.Изучение сериальных закономерностей в спектре атома водорода и определение постоянной Ридберга 3. Изучение термоэлектрических явлений 4. Определение длины волны света, излучаемого гелий-неоновым лазером 5.Изучение законов сохранения на примере фотоядерных реакций	4
5	3	Раздел 5. «Термодинамика и статистическая физика»	1.Определение скорости звука в воздухе и коэффициента Пуассона методом стоячей волны 2. Определение коэффициента динамической вязкости жидкости по методу Стокса 3.Определение показателя адиабаты (отношения удельных теплоёмкостей) воздуха методом Клемана-Дезорма	4

5.  ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Образовательная система КОСМОС, позволяющая осуществлять дистанционное образование по физике (имеются электронные лекции по различным разделам физике, виртуальные лабораторные работы по физике, тестовые задания для приема зачетов по контрольным работам и экзаменов по физике и химии)

6. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА

№ п/п	№ семестра	Раздел учебной дисциплины	Вид самостоятельной работы студента	Всего часов
1	1,2	Физические основы механики	Изучение теоретического материала. Решение контрольных задач по разделу.	60
2	1,2	Электричество и магнетизм	Изучение теоретического материала. Решение контрольных задач по разделу.	40
3	3,4	Физика колебаний и волн.	Изучение теоретического материала. Решение контрольных задач по разделу.	60
4	3,4	Квантовая физика	Изучение теоретического материала. Решение контрольных задач по разделу.	60
5	3,4	Термодинамика и статистическая физика	Изучение теоретического материала. Решение контрольных задач по разделу.	60
6	3,4	Иерархия структур материи	Изучение теоретического материала. Решение контрольных задач по разделу.	66

КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Для успешной сдачи экзамена в промежутке между сессиями студент обязан пройти тестирование по физике в системе «КОСМОС».

Студент через Интернет входит в систему «КОСМОС», выбирает тестовое задание, озаглавленное «КСР по физике», отвечает на предложенные вопросы.

После этого студент должен получить письменное подтверждение с результатом тестирования. Во время сдачи экзамена данное подтверждение передается преподавателю, который принимает экзамен. Без письменного подтверждения проведённого тестирования экзамен приниматься не будет.

7.  ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

№ п\п	№ семестра	Раздел учебной дисциплины	Виды контроля (текущий контроль, промеж. аттестация)	Оценочные средства
1	1,2	Физические основы механики	Контр. раб.№1, экзамен, зачет	тесты, контрольные вопросы
2	1,2	Электричество и магнетизм	Контр. раб.№2, экзамен, зачет	тесты, контрольные вопросы
3	3,4	Физика колебаний и волн	Контр. раб.№3, экзамен	тесты, контрольные вопросы
4	3,4	Квантовая физика	Контр. раб.№3, экзамен	тесты, контрольные вопросы
5	3,4	Термодинамика и статистическая физика	Контр. раб.№4, экзамен	тесты, контрольные вопросы
6	3,4	Иерархия структур материи	Контр. раб.№4, экзамен	тесты, контрольные вопросы

8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ