Учебно-методический комплекс по дисциплине ЕН. Ф.03 Физика (стр. 6 )

1. Аппараты проекционные универсальные с оптической скамьей для:	ФОС-67
а) для изучения фотоэлектрического эффекта
б) для изучения законов освещенности
в) для изучения поляризации света	*
г) определения фокусных расстояний оптических систем	*
2. Дифракционная решетка для определения длины световой волны	*
3. Мост постоянного тока для изучения вентильного фотоэффекта	Р333 № 000*
4. Пересчетный прибор	ПС-100
5. Набор электроизмерительных приборов (амперметр, вольтметр)	–
6. Генератор звуковой частоты,	GAG 810
катушка дроссельная	КД
набор омических сопротивлений, батарея конденсаторов для изучения резонанса напряжения в цепи переменного тока	*
7. Реохордный мост для определения энергии запрещенной зоны и температурного коэффициента сопротивления полупроводника	Р 38 *
1	2
8. Термопара для определения термоэлектродвижущей силы термоэлемента	*
9. Набор проводников из различных металлов, прибор универсальный измерительный для измерения удельного сопротивления проводников	* УПИП-60М
10. Установка для определения отношения электромагнитной единицы силы тока к амперу, источник питания	* ВУП-2
11. Установка для определения горизонтальной составляющей магнитного поля земли методом Гаусса, включающая компас, постоянный магнит с подвесом	*
12. Электроплитка	ПЭЛ
13. Термометры	–
14. Соединительные провода	–
15. Линейки	–
16. Секундомеры	Sunway SK-741
17. Набор гирь	МГ3-1110
18. Весы лабораторные	ВН-4М
19. Микрометр	МК-25
20. Штангенциркуль	–
21. Источник тока	–
22. Фотоэлементы	–
23. Лабораторная посуда (стаканчики, колбы)

* – установки не имеют марки, так как разработаны и выполнены силами сотрудников кафедры и мастерской физико-математического факультета

II. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИЛИНЫ

Методика проведения лекционных занятий

Лекции, практические и лабораторные занятия, наряду с контролем знаний, текущей и промежуточной аттестациями, курсовым и дипломным проектированием, самостоятельной работой студентов являются основными звеньями при организации учебного процесса по образовательным программам.

1. Общие положения

1.1 Главной задачей лектора является функция организации процесса познания студентами материала изучаемой дисциплины на всех этапах ее освоения, предусмотренной государственным образовательным стандартом (ГОСом).

1.2. Лекция решает двуединую задачу: информативную и развитие самостоятельной познавательной деятельности.

Для этого лектору целесообразно:

- сформулировать цель каждой лекции;

- определить содержание лекции и план ее проведения;

- разработать методы активизации познавательной деятельности студентов с учетом уровня их знаний и умений;

- рассмотреть перспективы и применения изучаемого материала в рамках других дисциплин и практической деятельности;

- представить ссылки на литературу для самостоятельного изучения материала студентами;

- по материалу лекции сформулировать задачи с целью подготовки студентов к практическим и лабораторным занятиям.

2. Задачи лекции

2.1 Передача знаний студентам и формирование умений по их применению.

2.2 Формулирование дидактических аспектов, решаемых в рамках изучения материала дисциплины.

2.3. Выявление междисциплинарных связей изучаемой дисциплины.

2.4 Оценка знаний и умений, получаемых студентами при изучении отдельных разделов и в целом дисциплины, а также их роли и соотношения в структуре процесса обучения.

2.5 Представление студентам ссылок на информационно-справочную систему для самостоятельного изучения ими материала дисциплины.

2.6 Воспитание студентов в форме непосредственного воздействия на аудиторию.

3. Содержание лекции

3.1 Тематика и содержание лекций определяются рабочей программой дисциплины, составленной в соответствии с ГОСом направления специальности подготовки дипломированного специалиста, бакалавра, магистра.

3.2 Лекция представляет собой логическое изложение материала в соответствии с ее планом, который сообщается слушателям в начале каждой лекции и имеет законченную форму.

3.3 Содержание каждой лекции имеет определенную направленность и учитывает уровень подготовки аудитории.

3.4 Применение на лекции принципа постоянной связи теории и практики, подкрепленного конкретными примерами использования теории для решения практических задач.

4. Проведение лекций

4.1 Процесс проведения лекции и комплексное сочетание содержания, логичности и доказательности.

4.2 Лекция строится в соответствии с дидактическими принципами:

- принцип научности сообщаемых сведений;

- принцип систематичности и последовательности изложения (от простого к сложному);

- принцип связи теории с практикой;

- принцип доступности научных знаний;

- принцип сочетания абстрактности мышления с наглядностью в преподавании.

При подготовке лекции лектор планирует управление видами внимания слушателей - непроизвольным, произвольным, послепроизвольным, путем своевременного использования наглядных пособий, средств ВТ и мультимедиа, создания приема «яркого пятна» и других педагогических методов.

4.3 Эффективность лекции характеризуется качеством и количеством получаемой студентами информации.

Для ее достижения необходимо следующее:

- доходчивость, благодаря живой устной речи, при умелом пользовании интонацией, паузами, логическими ударениями, мимикой, жестами возникает возможность отчетливо выделить основное, существенное и, кроме того, воздействовать на аудиторию эмоционально;

- возможность иллюстрировать лекции записями, схемами, чертежами, выполняемыми на доске, а также плакатами, слайдами, статическими и динамическими диаграммами, интерактивными картинками, реализованными на ПК;

- гибкость - возможность варьирования уровнем изложения материала в зависимости от подготовленности студентов;

- представление в процессе лекции новейших сведений о достижениях науки в данной области;

- повышение активности студентов посредством контрольных вопросов;

- предоставление студентам права задавать вопросы преподавателю в ходе или по окончании лекции.

4.4 На каждую лекцию разрабатываются план (приложение А) и конспект, включающие тему, содержание, задачи лекции, а также некоторые вопросы по ходу лекции и для повторения (приложение Б), изученные студентом ранее и связанные с изучаемой темой.

5. Иллюстрация лекции

Способы иллюстрации:

- доска и работа на ней;

- плакаты, чертежи, схемы;

- объемные пособия, модели, плакаты;

- демонстрация опытов;

- диапроекторы, эпидиаскопы, учебные диафильмы;

- перспективными в настоящее время являются мультимедиапроекторы, позволяющие визуализировать различные динамические процессы с помощью компьютерной анимации;

- электронные учебные курсы.

6. Примерные планы лекций

Лекция 1. Физические основы механики

1. Механика. Механическое движение. Механические модели. Система отсчета.

Кинематика. Кинематика материальной точки: Ускорение материальной точки (среднее, мгновенное), тангенциальное и нормальные ускорения. Поступательное движение твердого тела. Скорость и путь при прямолинейном равнопеременном движении. Кинематика вращательного движения твердого тела: угловое перемещение. Угловая скорость и угловое ускорение. Связь угловых и линейных величин. Представление сложного движения абсолютно твердого тела как суммы поступательного и вращательного движений.

2.  Динамика материальной точки: сила, инертная масса, законы Ньютона, инерциальные системы отсчета, импульс материальной точки. Число степеней свободы механической системы. Внешние и внутренние силы. Центр инерции механической системы и закон его движения. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент сил. Момент инерции. Основное уравнение динамики вращательного движения. Момент импульса тела. Закон сохранения момента импульса.

3.  Кинетическая энергия и работа при вращательном движении. Работа. Мощность. Энергия. Кинетическая энергия системы и ее связь с работой внутренних и внешних сил. Теорема Кёнинга. Потенциальная энергия системы. Связь между потенциальной энергией и силой. Закон сохранения и изменения механической энергии системы.

Лекция 3. Элементы специальной теории относительности

1.  Основной закон релятивистской динамики. Принцип относительности в классической механике. Преобразования Галилея. Преобразования Лоренца. Основной закон релятивистской динамики.

Лекция 4. Физические основы молекулярной физики и термодинамики

1.  Введение в молекулярную физику. Статистический и термодинамический методы исследования. Состояние системы. Термодинамические параметры. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Идеальный газ. Изопроцессы. Закон Дальтона. Уравнение Менделеева-Клапейрона.

2.  Основное уравнение состояния кинетической теории идеального газа.

3.  Внутренняя энергия. Число степеней свободы. Закон распределения энергии по степеням свободы. Теплоемкость. Теплоемкость при постоянном объеме. Теплоемкость при постоянном давлении.

4.  Распределение газовых молекул по скоростям. Распределение Максвелла. Закон Больцмана для распределения молекул и частиц в потенциальном поле.

5.  Явления переноса. Среднее число столкновений, длина свободного пробега молекул. Явление переноса. Уравнение переноса. Диффузия газов. Внутреннее трение газов. Теплопроводность.

6.  Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реальных газов. Критические параметры.

7.  Теплота и работа. Первое начало термодинамики. Политропный процесс. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс (цикл). Цикл Карно и его КПД. Второе начало термодинамики. Энтропия. Статистическое толкование второго начала термодинамики.

Лекция 5. Электростатика

1.  Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Основные характеристики электростатического поля - напряженность и потенциал поля. Расчет электрических полей методом суперпозиции.

2.  Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы к расчету полей. Электрическое поле в диэлектриках.

3.  Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектриках. Расчет поля в диэлектрике. Условия на границе раздела двух сред.

4.  Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект. Пироэлектрики.

5.  Проводники в электрическом поле. Емкость. Конденсаторы. Энергия электростатического поля.

Лекция 6. Законы прохождения тока в газе, жидкости, твердом теле

1.  Электрический ток в газах. Несамостоятельная проводимость газов. Несамостоятельный и самостоятельный разряд. Типы разрядов.

2.  Плазма. Проводимость плазмы. МГД - генератор. Электрический ток в жидкости. Подвижность ионов. Электропроводность электролитов.

3.  Основы классической электронной теории электропроводности металлов. Работа выхода. Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронные явления.

Лекция 7. Электромагнетизм

1.  Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Магнитное поле тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитной индукции. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

2.  Закон полного тока в вакууме и его применение для расчета магнитного поля тороида и длинного соленоида. Вихревой характер магнитного поля. Закон Ампера. Сила Лоренца. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент витка с током. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Эффект Холла. Принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц.

3.  Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея-Максвелла. Закон Ленца. Вывод закона электромагнитной индукции на основе электронной теории. Явление самоиндукции. Энергия системы проводников с током. Энергия магнитного поля, объемная плотность энергии.

4.  Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Намагниченность. Макро - и микротоки. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Типы магнетиков.

5.  Элементарная теория диа - и парамагнетизма. Ферромагнетики. Опыты Столетова. Домены. Спиновая природа ферромагнетизма. Антиферромагнетики. Магнитные свойства сверхпроводников.

6.  Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Уравнение Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Ток смещения. Относительный характер электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля.

Лекция 8. Электромагнитные колебания и волны

1.  Гармонические электромагнитные колебания и их характеристики. Электрический колебательный контур. Дифференциальное уравнение собственных гармонических колебаний и его решение.

2.  Затухающие электромагнитные колебания. Дифференциальное уравнение и его решение. Добротность колебательного контура. Вынужденные электромагнитные колебания. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс.

3.  Электромагнитные волны. Волновое уравнение. Уравнение бегущей волны. Образование и распространение электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Излучение диполя. Образование стоячих волн и их анализ.

Лекция 9. Волновая оптика

1. Предмет оптики. Электромагнитные волны в вакууме. Испускание волн. Фотометрия. Геометрическая оптика.

2.  Отражение и преломление плоской волны на границе двух диэлектриков. Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Время и длина когерентности. Расчет интерференционной картины от двух источников.

3.  Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на одной щели и дифракция на решетке.

4.  Разрешающая способность оптических приборов. Понятие о голографии

5.  Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсии. Электронная теория дисперсии света. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера. Закон Малюса. Электрооптическое и магнитооптическое явления и их применения. Элементы нелинейной оптики. Самофокусировка света. Генерация оптических гармоник.

Лекция 10. Квантовая природа излучения

Квантовая природа излучения. Тепловое излучение. Излучательная способность и поглощательная способность. Закон Кирхгофа. Абсолютно черное тело. Распределение энергии в спектре АЧТ. квантовая теория и формула Планка. Законы стефана-Больцмана и смещение Вина.

Лекция 11. Физические основы квантовой механики

1.  Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Формула де Бройля. Соотношение неопределенностей. Волновая функция и ее физический смысл. Принцип причинности в квантовой механике.

2.  Уравнение Шредингера. Стационарное состояние. Простейшие квантово-механические задачи: свободная частица, частица в одномерной "потенциальной яме", туннельный эффект. Квантование энергии и момента импульса частицы.

Лекция 12. Физика атомного ядра и элементарных частиц

1.  Атом водорода. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Опыт Шредингера и Герлаха. Спин электрона.

2.  Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Понятие о квантовых статистиках. Взаимодействие излучения с веществом. Спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры.

3.  Энергетические зоны в кристаллах. Валентная зона и зона проводимости. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Сверхпроводимось. Куперовские пары. Эффект Мейснера.

4.  Заряд, размер и масса атомного ядра. Момент импульса ядра и магнитный момент ядра. Ядерные силы. Дефект и энергия связи ядра. Реакция деления и синтеза атомных ядер.

5.  Элементарные частицы. Понятие об альфа - , бета - и гамма - излучениях. Принцип действия ядерных реакторов, меры защиты.

Лекция 13. Заключение

Новейшие достижения физики и научно - технический прогресс. Понятия об основных проблемах современной физики. Меры безопасности при проведении работ с физическими приборами установками.

7. Методические указания к чтению лекций

7.1. Подготовка преподавателя к лекции

Содержание лекции определяется рабочей программой, поэтому преподаватель в первую очередь должен внимательно изучить программу или разработать её. После изучения программы необходимо тщательно проработать содержание учебников и учебных пособий. И только тогда, когда общая картина читаемого раздела станет ясной, можно приступить к написанию конспекта лекции. Конспект служит не для того, чтобы читать его на лекции. Имея конспект, удобнее готовиться к очередной лекции, беря его за основу. При написании конспекта необходимо отмечать источники, из которых взят материал. Целесообразно указывать в конспекте лекционные демонстрации, которые Вы намерены использовать, кинофильмы и другие наглядные средства обучения.

В конспекте должно быть много свободного от текста листа, которое со временем заполняются материалом из литературных источников, находками лектора, замечаниями. Рекомендовать студентам в качестве основного учебника нужно такое учебное пособие, которое имеется в библиотеке в достаточном количестве. В этом случае Вы можете пользоваться на лекции теми же обозначениями физических величин, что и в рекомендуемом пособии.

Итак, конспект готов. Однако, это не значит, что преподаватель не должен готовиться к очередной лекции. Необходимо повторить весь материал, относящийся к лекции, и математические выкладки. Если курс читается впервые, то лучше всю лекцию проговорить как перед студентами. Но даже если лекция читается не впервые и материал не изменился, нужно хотя бы мысленно пробежать по теме лекции и убедится, что всё хорошо известно, можно без запинки изложить материал. Недопустимо, если во время лекции преподаватель, забыв что-то, начинает путаться в объяснениях, и студенты вынуждены перечеркивать свои конспекты.

7.2. Некоторые советы начинающему лектору

Наконец, конспект написан, подготовка к лекции завершена. Преподавателю предстоит чтение лекции, чтение первой лекции в данном потоке, в данном семестре.

Если перед Вами студенты, совсем недавно бывшие абитуриенты, то следует их поздравить о поступлении в университет, указать на то, что они выбрали нелегкий путь учебы, который потребует больших усилий, умение планировать свое время. Можно напомнить о режиме дня.

В начале лекции необходимо представиться, фамилию, имя, отчество написать на доске, сказать, на какой кафедре Вы работаете, указать аудиторию, где Вас можно найти. На первой лекции обязательно расскажите, какие виды занятий, кроме лекций будут проводиться по физике, какова форма отчетности. Проинструктируйте студентов, как слушать лекцию по физике, к чему надо особенно прислушиваться, что следует записывать, а что пропустить, оставив место, свободное от текста с тем, чтобы во время последующей работы над конспектом лекции внести дополнения, воспользовавшись учебником, консультацией преподавателя, беседой с однокурсниками.

Укажите какие требования Вы будете предъявлять к знаниям студентов и как будете контролировать их в течение семестра. Научить студентов работать – это очень важная задача преподавателя.

На этой же лекции необходимо указать учебную литературу, основную и дополнительную, основное учебное пособие, написав на доске фамилии и инициалы авторов, названия учебных пособий.

Начинать лекцию рекомендуется с названия темы, записав ее на доске вместе с планом лекции. В конце лекции спросить у студентов, есть ли у них вопросы. В своем конспекте лекции делайте пометки, на чем закончено изложение темы. Это поможет в планировании времени при повторном чтении курса.

Если материал лекции не описательный, если отсутствуют лекционные демонстрации, то студенты уже к середине первого часа начинают терять внимание от утомления. Тогда нужно дать им возможность рассредоточиться на несколько минут: можно привести интересные сведения из истории физики, рассказать курьезные случаи из жизни ученых-физиков. Можно поделиться со студентами сведениями о современных открытиях, о событиях в стране, в университете.

Следите за своей речью. Она должна быть грамотной. Например, не следует говорить «производная от игрек по де икс», а «производная от игрек по икс», не следует произносить: «Ньютон» (с ударением на последнем слоге), а «Ньютон» (с ударением на первом слоге), но единицу силы в системе СИ надо произносить «ньютон».

Во время чтения лекции лектор может допустить ошибку. Эта ошибка может быть технической: неправильно проведена несложная математическая операция, пропущено какое-то действие, сделана описка. Такого рода ошибки студенты обычно замечают. Нужно только, чтобы они не боялись перебить лектора, вовремя сказали об ошибке. Разумеется, преподаватель должен в этом случае похвалить студентов за внимание. Наоборот, если ошибка оказалась незамеченной, полезно упрекнуть студентов во невнимательном слушании. Лектор должен из факта ошибки извлечь максимальную пользу. Но все же ошибки на лекции – это чрезвычайное происшествие.

Чтобы не появлялись технические ошибки, пропуски, можно иметь перед собой развернутый конспект. Лучше читать лекцию по конспекту и писать на доске выводы, держа конспект в руках, чем постоянно ошибаться. Но лучше всего не пользоваться конспектом во время чтения лекции. И дело не только в том, что у студентов возникает критическое отношение к такому лектору («Сам читает по конспекту, а нас требует наизусть!»). чтение лекции по конспекту теряет эмоциональность, у лектора появляется скованность, он уже не старается размышлять, а начинает говорить «казенными фразами». Носить с собой на лекции конспект стоит, но пользоваться им нужно лишь в самом крайнем случае. А вот план лекции полезно иметь. Им можно пользоваться на лекции регулярно, особенно если приходиться излагать несколько разрозненных небольших вопросов, приводить много определений.

Основные формулы, уравнения, определения, все то, что надо знать наизусть, полезно как-то выделять (например, заключать в рамки). Однако таких формул не должно быть много.

7.3. Активизация деятельности, студентов на лекции.

Проблемное обучение

Один из путей включения студентов в активную мыслительную деятельность во время слушания лектора является проблемный метод чтения лекций.

Проблемное обучение заключается в создании перед обучающимися последовательности проблемных ситуаций и в разрешении этих ситуаций в процессе совместной деятельности студентов под общим направляющим руководством преподавателя. Под проблемной ситуацией понимаются учебные, исследовательские задачи, решение которых осуществляется студентами (под руководством преподавателя или самостоятельно) путем приобретения недостающих знаний и овладения новыми способами деятельности.

Проблемная ситуация не возникнет, если задать вопрос, на который студенты заранее знают ответ, или предложить задачу, алгоритм решения которой студентам известен. Нельзя создать проблемную ситуацию, задав задачу, для решения которой у студентов нет достаточных знаний.

Лектору всего проще использовать проблемное изложение нового материала. Создав проблемную ситуацию, преподаватель дает не только конечное решение задачи, но и рассказывает алгоритм этому решению, аргументируя каждый шаг рассуждений. Учебная деятельность студента направлена при этом на то, чтобы внимательно прослушать и воспроизвести ход рассуждений при постановке, формулировке и решении проблемы. Такой способ не обеспечивает приобретения опыта поисковой творческой деятельности студента.

В качестве примера проблемного изложения учебного материала можно указать на дифракцию Френеля. При формальном применении принципа Гюйгенса при наблюдении распространения света от точного источника приходим к противоречию: наш глаз должен видеть не точечный источник, а светящийся диск, что противоречит опыту. Необходимо отказаться от принципа Гюйгенса или чем-то его дополнить. Такое дополнение внес, как известно Френель: вторичные волны когерентны и при наложении они интерферируют. Проблемную ситуацию можно создать и демонстрационным опытом: сплошной и полный цилиндры одинаковых размеров и с одинаковыми массами, скатившись по наклонной плоскости с одинаковой высоты, имеют разные скорости. Не противоречит ли это закону сохранения механической энергии? Приходят к выводу, что необходимо рассмотреть вопрос о кинетической энергии вращающегося тела.

Следующий уровень проблемного обучения заключается в проблемном изложении материала с последующим самостоятельным решением студентами аналогичной проблемной ситуации по способу, указанному преподавателем. Так после доказательства электростатической теоремы Гаусса, после вычисления при помощи этой теоремы направленности поля равномерно заряженной сферы, преподаватель предлагает аналогичным способом найти напряженность электростатического поля равномерно заряженной плоскости. Студенты должны сделать вывод о силовых линиях поля плоскости, самостоятельно выбрать гауссову поверхность и, применив теорему Гаусса, найти выражение для напряженности поля плоскости. При необходимости преподаватель задает студентам наводящие вопросы, помогает студентам идти в правильном направлении.

8. Методические указания к проведению лабораторных занятий

8.1. Цели и задачи проведения лабораторных занятий

1.1. Целью проведения лабораторных занятий является формирование у студентов навыков по применению теоретических знаний в экспериментальных исследованиях и в решении практических задач.