Рабочая программа по дисциплине «Физика»

Рабочая программа по дисциплине

«Физика»

Введение. Физика как наука. Наиболее общие понятия и теории. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Математика и физика. Физика и естествознание. Философия и физика. Важнейшие этапы история физики. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Физика как культура моделирования. Физические модели. Компьютеры в современной физике. Роль физики в образовании. Общая структура и задачи курса физики. Единицы измерения и системы единиц. Основные единицы СИ.

Раздел 1. Физические основы механики.

Предмет механики. Классическая и квантовая механика. Нерелятивистская и релятивистская классическая механика. Кинематика и динамика. Основные физические модели: частица (материальная точка), система частиц, абсолютно твердое тело, сплошная среда.

Тема 1.1. Элементы кинематики.

Пространственно-временные отношения. Система отсчета. Скалярные и векторные физические величины. Основные кинематические характеристики движения частиц. Скорость и ускорение частицы при криволинейном движении. Поступательное движение. Движение частицы по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Поступательное и вращательное движение абсолютно твердого тела.

Тема 1.2. Элементы динамики частиц.

Понятие состояния частицы в классической механике. Основная задача динамики. Первый закон Ньютона. Понятие инерциальной системы отсчета. Масса. Уравнение движения. Импульс тела. Третий закон Ньютона. Границы применимости классического способа описания движения частиц.

Тема 1.3. Элементы механики твердого тела.

Уравнение движения твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент силы, вращательный момент. Основной закон динамики вращательного движения. Момент инерции твердого тела относительно оси. Теорема Штейнера. Момент импульса. Гироскоп.

Тема 1.4. Работа и мощность. Механическая энергия.

Механическая работа и мощность. Механическая энергия. Кинетическая энергия и ее свойства. Кинетическая энергия твердого тела, совершающего поступательное и вращательное движение. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия и ее свойства. Внутренняя энергия.

Тема 1.5. Законы сохранения в механике.

Импульс системы тел. Закон сохранения импульса. Центр инерции. Закон движения центра инерции. Реактивное движение. Момент импульса системы тел. Закон сохранения момента импульса. Движение в центральном поле. Закон сохранения энергии в механике. Общефизический закон сохранения энергии. Условия равновесия твердого тела.

Тема 1.6. Элементы механики сплошных сред.

Общие свойства газов и жидкостей. Кинематическое описание движения жидкости. Векторные поля. Поток и циркуляция векторного поля. Уравнение движения и равновесия жидкости. Идеальная жидкость. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли. Вязкая жидкость. Силы внутреннего трения. Законы гидродинамического подобия. Понятие о турбулентности.

Идеально упругое тело. Упругие деформации и напряжения. Закон Гука. Пластические деформации. Предел прочности.

Тема 1.7. Принцип относительности в механике. Постулаты специальной теории относительности.

Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Описание движения в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. Гравитационная масса. Эквивалентность инертной и гравитационной массы.

Опыты Майкельсона по определению скорости света. Постулаты специальной теории относительности.

Тема 1.8. Элементы релятивистской динамики.

Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия. Релятивистский импульс. Инвариантность уравнений движения относительно преобразований Лоренца. Полная энергия частицы.

Раздел 2. Статистическая физика и термодинамика.

Динамические и статистические закономерности в физике. Термодинамический и статистический методы.

Тема 2.1. Элементы молекулярно-кинетической теории.

Макроскопическое состояние. Физические величины и состояния физических систем. Макроскопические параметры как средние значения. Средняя кинетическая энергия частицы. Понятие о температуре. Тепловое равновесие. Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы.

Среднее время и средняя длина свободного пробега молекул. Эффективный диаметр молекулы. Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение (вязкость). Уравнения стационарных процессов переноса в газах. Коэффициенты переноса. Коэффициент диффузии, коэффициент вязкости, коэффициент теплопроводности в газах. Явления переноса в жидкостях и твердых телах.

Тема 2.2. Функции распределения.

Микроскопические параметры. Вероятность и флуктуации. Распределение Максвелла молекул газа по кинетическим энергиям. Барометрическая формула. Распределение Больцмана молекул газа по потенциальным энергиям.

Тема 2.3. Элементы термодинамики.

Первое начало термодинамики. Работа идеального газа. Число степеней свободы. Внутренняя энергия идеального газа. Адиабатический процесс. Теплоемкость. Теплоемкость идеального газа при изопроцессах.

Обратимые и необратимые процессы. Микро - и макро - состояния системы. Термодинамическая вероятность. Энтропия. Определение энтропии через статистический вес макросостояния. Энтропия как количественная мера хаотичности. Термодинамическое определение энтропии. Второе начало термодинамики. Принцип возрастания энтропии.

Тема 2.4. Реальные газы.

Взаимодействие молекул реального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Фазы и условия равновесия фаз. Поверхностные энергия и натяжение. Капиллярные явления. Фазовые превращения. Фазовые диаграммы.

Раздел 3. Электричество и магнетизм.

Тема 3.1. Электростатика.

Предмет классической электродинамики. Электрический заряд и его дискретность. Идея близкодействия. Границы применимости классической электродинамики.

Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Электрический диполь. Основные уравнения электростатики в вакууме. Поток и циркуляция электростатического поля. Теорема Гаусса. Работа кулоновских сил. Потенциал и разность потенциалов. Связь напряженности с потенциалом.

Тема 3.2. Электростатическое поле в диэлектрике.

Диэлектрик в электростатическом поле. Поляризация диэлектрика. Поляризационные заряды. Электрическое поле в диэлектрике. Электрическое смещение (индукция). Диэлектрическая проницаемость. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Граничные условия на поверхности раздела «диэлектрик - диэлектрик» и «проводник – диэлектрик». Классификация диэлектриков. Электрострикция. Сегнетоэлектрики.

Тема 3.3. Проводник в электростатическом поле.

Распределение электрических зарядов на проводнике. Поверхностные заряды. Граничные условия на поверхности раздела на поверхности раздела «проводник – вакуум». Электростатическая защита. Электроемкость. Конденсаторы. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.

Тема 3.4. Постоянный электрический ток.

Электрический ток. Условия существования тока. Сторонние силы. Э. Д.С. Проводники и изоляторы. Закон Ома в интегральной и дифференциальной формах. Закон Джоуля – Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Работа и мощность тока. Закон Ома для замкнутой цепи и участка, содержащего Э. Д.С. Законы сохранения энергии и электрического заряда для замкнутой цепи. Правила Кирхгофа.

Природа носителей тока в металлах. Основные положения классической электронной теории. Основные законы постоянного тока в классической электронной теории.

Тема 3.5. Магнитное поле в вакууме.

Магнитное поле и его характеристики. Закон Био – Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитных полей. Сила Ампера и сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Поток и циркуляция магнитного поля. Принцип суперпозиции для магнитного поля. Теорема о циркуляции магнитного поля. Терема Гаусса для потока индукции магнитного поля. Магнитное поле длинного соленоида и тороида. Виток с током в магнитном поле. Магнитный момент.

Тема 3.6. Магнетики. Магнитное поле в веществе.

Молекулярные токи. Диа - и парамагнетизм. Намагниченность. Расчет магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Условия на границе раздела двух магнетиков. Ферромагнетики и их свойства.

Тема 3.7. Электромагнитная индукция.

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. С. индукции. Вращение рамки в магнитном поле. Токи Фуко. Индуктивность контура. Самоиндукция. Токи при замыкании и размыкании цепи. Взаимная индукция. Трансформаторы. Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля.

Тема 3.8. Уравнения Максвелла.

Фарадеевская и максвеловская трактовка явления электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах.

Раздел 4. Физика колебаний и волн.

Общие представления о колебательных и волновых процессах. Единый подход к описанию колебаний и волн различной физической природы.

Тема 4.1. Кинематика гармонических колебаний.

Механические гармонические колебания. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Амплитуда, круговая частота и фаза гармонических колебаний. Сложение колебаний одинаковой частоты и одного направления. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Векторные диаграммы.

Тема 4.2. Гармонический осциллятор.

Движение системы вблизи устойчивого положения равновесия. Модель гармонического осциллятора. Примеры гармонических осцилляторов: маятник, груз на пружине, колебательный контур. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний и его решение. Коэффициент затухания. Логарифмический декремент. Энергия гармонического осциллятора. Добротность.

Дифференциальное уравнение вынужденных гармонических колебаний и его решение. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Время установления вынужденных колебаний и его связь с добротностью. Вынужденные колебания в электрических цепях. Энергетические соотношения.

Тема 4.3. Волновые процессы.

Волновое движение. Продольные и поперечные волны. Бегущие и стоячие волны. Длина волны, волновой вектор и фазовая скорость. Скалярные и векторные волны. Поляризация. Одномерное волновое уравнение. Энергетические характеристики упругих волн. Вектор Умова. Понятие об ударных волнах. Эффект Доплера.

Плоские электромагнитные волны. Поляризация. Энергетические характеристики электромагнитных волн. Вектор Пойтинга. Излучение диполя.

Электромагнитные волны. Волновое уравнение. Скорость распространения электромагнитных волн.

Тема 4.4. Интерференция волн.

Принцип суперпозиции для волн. Когерентность и монохроматичность. Интерференция плоских и сферических волн. Методы наблюдения интерференции. Интерференция в тонких пленках. Кольца Ньютона. Интерферометры.

Тема 4.5. Дифракция волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунтгофера. Дифракция на круглом отверстии, на круглом препятствии, прямой щели и на множестве щелей. Дифракционная решетка. Дифракция на пространственной решетке. Уравнение Вульфа - Брэггов. Спектральное разложение. Разрешающая способность спектральных приборов. Принцип голографии.

Тема 4.6. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом.

Модель среды с дисперсией. Показатель преломлдения. Нормальная и аномальная дисперсии. Поглощение волн. Поведение волн на границе раздела двух сред. Понятие о волноводах. Анизотропные среды. Элементы кристаллооптики. Элементы нелинейной оптики.

Раздел 5. Квантовая физика.

Тема 5.1. Квантовая природа излучения.

Тепловое излучение. Законы Кирхгофа, Стефана – Больцмана и Вина. Формулы Рэлея – Джинса. Открытие постоянной Планка. Энергия и импульс световых квантов. Фотоэффект. Эффект Комптона.

Тема 5.2. Корпускулярно-волновой дуализм.

Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов и нейтронов. Соотношение неопределенностей. Волновые свойства микрочастиц и соотношение неопределенностей. Наборы одновременно соизмеримых величин.

Тема 5.3. Элементы квантовой механики.

Задание состояния микрочастиц. Волновая функция и ее статистический смысл. Временное уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера. Стационарные состояния. Частица в одномерной потенциальной яме. Прохождение частицы над и под барьером. Туннельный эффект. Гармонический осциллятор.

Тема 5.4. Атом.

Частица в сферически симметричном поле. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Спектры водородоподобных атомов. Пространственное распределение плотности вероятности для электрона в атоме водорода. Ширина уровней.

Тема 5.5. Многоэлектронные атомы и молекулы.

Спектр газообразного гелия. Неразличимость одинаковых частиц в квантовой механике. Полная система квантовых чисел. Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Обменное взаимодействие. Типы связей электронов в атомах. Периодическая система элементов .

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

Элементы квантовой теории излучения. Вынужденное и спонтанное излучение фотонов. Лазеры.

Тема 5.6. Электроны в кристаллах.

Приближение сильной и слабой связи. Модель свободных электронов. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов. Зонная структура энергетического спектра электронов. Число и плотность числа электронных состояний в зоне. Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники. «Нулевая» энергия электронов в кристалле. Электропроводность полупроводников. Явление сверхпроводимости.

Тема 5.7. Атомное ядро.

Строение атомного ядра. Модели ядра. Ядерные реакции. Радиоактивные превращения ядер. Реакции ядерного деления. Цепная реакция деления. Проблема источников энергии. Термоядерный синтез. Энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез.

Заключение. Современная физическая картина мира.

Иерархия структур материи. Частицы и античастицы. Стандартная модель элементарных частиц. Кварки, лептоны и кванты фундаментальных полей. Фундаментальные взаимодействия. Макроскопические состояния вещества: газы, жидкости, плазма, твердые тела. Планеты. Звезды. Вещество в экстремальных условиях: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Горячая модель и эволюция Вселенной.

Физическая картина мира как философская категория. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Вещество и поле. Смена понятий в физике как отражение смены типов рационального мышления.

Концепция времени. Парадигма Ньютона и эволюционная парадигма. От физики существующего к физике возникающего. Незавершенность физики и будущее естествознания.