8.5. Планы подготовки к лабораторным работам
(вопросы для получения допуска к выполнению лабораторных работ)
План подготовки к лабораторной работе № 8 «Определение
отношения теплоемкости воздуха при постоянном давлении
к теплоемкости при постоянном объеме методом Клемана и Дезорма»
8.1 Внутренняя энергия. Внутренняя энергия идеального газа, ее связь с абсолютной температурой согласно принципу равнораспределения энергии по степеням свободы молекулы. Способы изменения внутренней энергии системы. Способы теплообмена.
8.2 Работа газа при его сжатии и расширении. Работа газа при различных процессах.
8.3 Количество теплоты. Теплоемкость тела. Удельная и молярная теплоемкости вещества, связь между ними. Теплоемкость газов при различных процессах. Связь молярных теплоемкостей газов при постоянном объеме и при постоянном давлении (уравнение Майера). Выражения сV и сp через число степеней свободы молекул газа. Отношение сp к cV (показатель адиабаты) и его значение для молекул с разным числом степеней свободы.
8.4 Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики при изотермическом, изохорном, изобарном, адиабатном и круговом процессах.
8.5 Описание установки для определения отношения теплоемкости воздуха при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме (показателя адиабаты).
8.6 Гидростатическое давление. Вывод формулы гидростатического давления. Атмосферное давление.
8.7 Уравнение состояния идеального газа.
8.8 Адиабатный процесс. Вывод уравнения адиабатного процесса (уравнения Пуассона). Его выражение через давление и температуру. Как осуществляется адиабатный процесс в лаб. раб. № 8?
8.9 Изохорный процесс. Уравнение изохорного процесса. Как осуществляется изохорный процесс в лаб. раб. № 8?
8.10 Вывод расчетной формулы для определения отношения теплоемкости воздуха при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме в лаб. раб. № 8.
План подготовки к лабораторной работе № 16 «Определение
коэффициента вязкости, средней длины свободного пробега
и эффективного диаметра молекул воздуха»
16.1 Равновесные и неравновесные состояния системы. Процессы (явления) переноса. Условия их возникновения и их характеристики (поток, плотность потока, коэффициент переноса).
16.2 Вязкость (внутреннее трение) жидкостей и газов. Условие ее возникновения. Поток и плотность потока импульса упорядоченного движения молекул. Сила внутреннего трения. Коэффициент вязкости (динамическая вязкость). Уравнение вязкости (закон Ньютона).
16.3 Вязкость. Чем обусловлена вязкость газов? Вязкость жидкостей? Вывод формулы коэффициента вязкости газов на основе молекулярно-кинетических представлений. Зависимость коэффициента вязкости газов от давления и температуры.
16.4 Сила сопротивления при относительном движении тела в жидкости (газе). Условие течения вязкой жидкости (газа). Поток жидкости (газа). Формула потока жидкости (газа) в цилиндрической трубе (формула Пуазейля).
16.5 Формула гидростатического давления. Разность давлений на концах капилляра в лаб. раб. № 16.
16.6 Вывод расчетной формулы для определения коэффициента вязкости воздуха с помощью капельницы (лаб. раб. № 16).
16.7 Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Характер движения молекул в газах. Длина свободного пробега. Воздух. Состав воздуха. Молярная масса воздуха. Вывод формулы для определения длины свободного пробега молекул воздуха (лаб. раб. № 16).
16.8 Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Взаимодействие молекул. Эффективный диаметр молекул. Вывод формулы для определения эффективного диаметра молекул воздуха (лаб. раб. № 16).
План подготовки к лабораторной работе № 11 «Определение
коэффициента вязкости жидкости методом Стокса»
11.1 Вязкость (внутреннее трение). Чем обусловлена вязкость газов? Вязкость жидкостей?
11.2 Вязкость (внутреннее трение) жидкостей и газов. Условие ее возникновения. Поток и плотность потока импульса упорядоченного движения молекул. Сила внутреннего трения. Коэффициент вязкости (динамическая вязкость). Уравнение вязкости (закон Ньютона).
11.3 Сила сопротивления при относительном движении тела и жидкости (газа). Сила сопротивления при малых скоростях. Сила Стокса.
11.4 Давление в покоящихся жидкостях и газах. Закон Паскаля. Давление столбика жидкости или газа. Сила Архимеда.
11.5 Силы, действующие на шарик, движущийся в жидкости (лаб. раб. № 11). Почему в жидкостях и газах тела, достигнув некоторой скорости падения, начинают двигаться равномерно?
11.6 Вывод расчетной формулы для определения коэффициента вязкости жидкости методом Стокса в лабораторной работе № 11.
План подготовки к лабораторной работе № 45
«Электропроводность металлов»
45.1. Электрический ток (электропроводность) как вынужденная диффузия. Условия возникновения и существования электрического тока. Источники тока.
45.2. Характеристики электрического тока: сила тока и плотность тока. Выражение плотности тока через характеристики переносчиков заряда.
45.3. ЭДС, разность потенциалов, напряжение на участке цепи и в замкнутой цепи.
45.4. Электрическое сопротивление проводников. Удельное сопротивление и удельная электропроводность вещества.
45.5. Последовательное и параллельное соединение проводников. Формула общего сопротивления при последовательном и параллельном соединении.
45.6. Закон Ома для участка цепи и для полной цепи. Закон Ома в дифференциальной форме.
45.7. Правила Кирхгофа. Их применение к расчету электрических цепей (примеры).
45.8. Классическая теория электропроводности металлов. Сопротивление металлических проводников с точки зрения классической электронной теории. Несоответствие результатов классической электронной теории электропроводности металлов опытным данным.
45.9. Электронный газ обобществленных (свободных, валентных) электронов в металлах как система тождественных частиц – фермионов. Функция распределения Ферми-Дирака. Распределение фермионов по состояниям при различных температурах. Энергия и температура Ферми.
45.10. Элементы зонной теории кристаллов. Расщепление уровней энергии электронов при образовании кристаллов. Разрешенные и запрещенные зоны энергий электронов в кристаллах. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории твердых тел.
45.11. Элементы квантовой теории электропроводности металлов. Основные механизмы электрического сопротивления металлов, их зависимость от температуры и их вклад в полное сопротивление при различных температурах.
45.12. Определение сопротивления проводников и удельного сопротивления вещества на основе закона Ома.
45.13. Определение сопротивления проводника по методу измерительного моста.
45.14. Анализ результатов измерения сопротивления проводников различными методами.
45.15. Цена деления, чувствительность и класс точности электроизмерительных приборов.
8.6. Примеры вариантов заданий к коллоквиуму
(«Элементы квантовой физики и физики атома»)
Вариант 1
1. Реликтовое фоновое излучение в космосе описывается законом Планка для излучения абсолютно черного тела с температурой 2,7 К. Какая длина волны отвечает максимуму спектра фонового излучения? Какая частота отвечает максимуму спектра этого излучения? Какова суммарная мощность падающего на Землю фонового излучения?
2. Опытные закономерности и законы внешнего фотоэффекта. Сила фототока насыщения. Задерживающее напряжение. Красная граница фотоэффекта. Безинерционность фотоэффекта.
3. Если известно, что время жизни атомов в возбужденном состоянии составляет 10-7 с, то какими будут неопределенности энергии и частоты фотонов, излучаемых такими атомами при их спонтанном переходе в основное состояние?
4. Неопределенности характеристики микрочастиц. Чем обусловлено их существование? Какие соотношения устанавливают границы применимости классических характеристик частиц?
5. Водородоподобный атом. Квантование энергии, орбитального момента импульса, проекции орбитального момента импульса электрона на физически выделенное направление. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа.
Вариант 2
1. Закон Кирхгофа; функция Кирхгофа. Спектр теплового излучения абсолютно черного тела при различных температурах.
2. Черно-белая фотопленка экспонируется светом, энергия которого достаточна для диссоциации молекул AgBr в ее эмульсии. Минимальная энергия диссоциации составляет 0,68 эВ. Какова пороговая длина волны, при которой эта пленка перестает реагировать на свет?
3. Как связаны квадрат амплитуды волны в данной точке и число попадающих в эту точку фотонов? Чем определяется интенсивность света с волновой точки зрения? Как совмещаются корпускулярные свойства фотона с его волновыми свойствами?
4. Прохождение частицы через потенциальный барьер (туннельный эффект). Чем обусловлено кажущееся нарушение закона сохранения энергии при преодолении потенциального барьера частицей?
5. Поглощение и излучение энергий атомами. Правило частот Бора. Правила отбора.
Вариант 3
1. Необходимость гипотезы Планка. Формула Планка для кванта энергии гармонического осциллятора. Формула Планка для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела и ее соответствие законам теплового излучения.
2. Законы фотоэффекта. Невозможность объяснения закономерностей и законов фотоэффекта на основе волновых представлений о свете.
3. Согласно кинетической теории, средняя кинетическая энергия частиц при температуре Т составляет 3 кТ/2. Какова средняя длина волны де Бройля молекул азота при комнатной температуре?
4. Уравнение Шредингера. Его роль в квантовой физике. Стационарное состояние частицы. Волновая функция и уравнение Шредингера для стационарных состояний.
5. Спин электрона. Спиновое квантовое число.
8.7. Примеры вариантов заданий для контрольной работы
по теме «Молекулярная физика»
Вариант 1
1. Дом имеет объем 600 м3. Какова полная масса воздуха внутри дома при температуре 0оС? Если температура повысилась до 25оС, то какая масса воздуха войдет в дом или выйдет из него? (770 кг, 65 кг).
2. Какую температуру имеют 2 г азота, занимающего объем 820 см3 при давлении 0,2 МПа? Газ рассматривать как: 1) идеальный, 2) реальный. (280 К, 280 К).
3. Чему равны удельные теплоемкости Сv и Сp некоторого двухатомного газа, если плотность этого газа при нормальных условиях равна 1,43 кг/м3 (650 Дж/кг. К, 910 Дж/кг. К).
4. Газ, совершающий цикл Карно, отдал охладителю 67% теплоты, полученной от нагревателя. Определить температуру охладителя, если температура нагреваК (288,1 К).
5. Чему равны при нормальных условиях коэффициенты диффузии и внутреннего трения азота, если эффективный диаметр молекулы азота равен 3,м. (1,43 м2/с, 17,1 па. с).
Вариант 2
1. Вычислить плотность кислорода при нормальных условиях (1,43 кг/м3).
2. Определить давление смеси газов, состоящей из 10 г кислорода и 10 г азота, которые занимают объем 20 л при температуре 150оС (1,16 атм.).
3. Объем углекислого газа массой 0,1 кг увеличился от 1000 л до 10000 л. Найти работу внутренних сил взаимодействия молекул при этом расширении газа (1,65 Дж).
4. Найти изменение энтропии при превращении 10 г льда при 20оС в пар при 100оС (88 Дж/К).
5. Расстояние между стенками сосуда Дьюара равно 8 мм. При каком давлении теплопроводность воздуха, находящегося между стенками сосуда Дьюара, начнет уменьшаться при откачке? Температура воздуха 290 К, диаметр молекулы воздуха принять равным 0,3 нм. (1,26 Па).
Вариант 3
1. Аквалангист, находясь на глубине 12 м от поверхности воды, вдохнул воздух и заполнил весь объем своих легких, равный 5,5 л. До какого объема расширятся его легкие, если он быстро вынырнет на поверхность? (12 л).
2. Чему равна среднеквадратичная скорость движения молекул азота, заключенных в объеме 8 м3 под давлением 2,1 атм., если полное количество азота равно 1300 молей (370 м/с).
3. Найти внутреннюю энергию углекислого газа массой 132 г при нормальном давлении и температуре 300 К, рассматривая газ: 1) как идеальный; 2) как реальный. (22,4 кДж, 9,2 кДж).
4. Кислород массой 2 кг увеличил свой объем в 5 раз. Каково будет изменение энтропии, если процесс был: 1) изотермическим, 2) адиабатическим. (836 Дж/К, 0 Дж/К).
5. Оцените время, по прошествии которого аммиак будет обнаружен на расстоянии 10 см от горлышка открытой бутылки. Коэффициент диффузии м2/с (250 с).
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Методические указания по выполнению самостоятельной работы
Все темы программы с разной степенью углубленного изучения рассматриваются на лекционных, практических и лабораторных занятиях. Но для получения глубоких и прочных знаний, твердых навыков и умений, необходима систематическая самостоятельная работа студента.
Самостоятельная работа нужна как для проработки лекционного (теоретического) материала, так и для подготовки к лабораторным работам и практическим занятиям. Основательная самостоятельная работа необходима и при подготовке к контрольным мероприятиям. (Более половины часов, предназначенных для изучения физики, отводится на самостоятельную работу студента). Надо признать, что физику «вызубрить» невозможно, чтобы ее выучить, ее надо понять. А для этого надо самому постараться так осмыслить, вникнуть, представить, обдумать вопрос, чтобы стало понятно.
На лекциях особое внимание следует уделять на основные понятия и основные физические закономерности, стараться записывать основные утверждения и формулы, а не все рассуждения и пояснения лектора (их нужно внимательно слушать и постараться понять). Дополнить конспект лекций, выделить главное нужно самостоятельно, дома, пользуясь учебным пособием или изданным конспектом лекций. Работать с конспектом лекций целесообразно в соответствии с «Вопросами для самоконтроля», которые составлены в такой последовательности, что охватывают все содержание темы от начала до конца, и таким образом являются обучающими. Кроме того, из этих же вопросов и заданий составляются варианты заданий для контрольных мероприятий.
Практические занятия (занятия по решению задач) способствуют активному усвоению теоретического материала, студенты учатся применять физические закономерности для решения конкретных практических задач. Студенты должны убеждаться, что физика изучается ими и для практического применения.
На практических занятиях студенты под руководством преподавателя решают задачи по наиболее важным темам курса. Для выполнения учебного плана студент самостоятельно должен решить определенное количество типовых задач в соответствии со своим вариантом домашнего задания. Аудиторного времени для решения всех типов задач обычно не хватает. Для самостоятельного решения задач прежде, чем приступить к решению задач, нужно изучить (повторить) теоретический материал по теме задачи, разобрать примеры решения задач на эту тему в методических указаниях к практическим занятиям, а затем уже обязательно попытаться решить задачу, какой бы «неприступной» она не казалась. Задачи рекомендуется решать в соответствии с «Методическими указаниями для самостоятельного решения задач». Если попытка окажется неудачной, выяснить причину (получить консультацию) у преподавателя.
Защита выполненного домашнего задания проводится либо в форме устного собеседования с преподавателем по решенным задачам, либо в форме контрольной работы. Защита домашнего задания позволяет оценить знания студента и своевременно организовать дополнительную работу, если эти знания неудовлетворительны.
Лабораторный практикум ориентирован на практическое изучение наиболее важных физических закономерностей, овладение техникой измерений и грамотную обработку их результатов.
Для получения допуска к выполнению лабораторной работы студенту необходимо:
1) изучить (повторить) основные теоретические вопросы, знание которых необходимо для успешного выполнения лабораторной работы, в соответствии с «Планом подготовки к лабораторным работам»;
2) ознакомиться с методическими указаниями к лабораторной работе;
3) подготовить письменные ответы на вопросы, выданные преподавателем для получения допуска;
4) подготовиться к собеседованию с преподавателем по теме лабораторной работы и о самой лабораторной работе, подготовить четкие ответы на вопросы:
- что определяется или изучается в лабораторной работе (цель лабораторной работы);
- определение изучаемого явления или измеряемой величины;
- расчетная формула;
- определения величин, входящих в расчетную формулу;
- какие величины и как измеряются в лабораторной работе и какие величины будут указаны в описании установки, или нужно брать из справочников.
Необходимо, чтобы студенты самостоятельно проводили измерения, расчеты и анализ полученных результатов, чтобы отчет по каждой лабораторной работе оформлялся грамотно и аккуратно. Проводить расчеты и обработку результатов измерений можно или в конце занятия или (при недостатке времени) дома.
Следует учесть, что без основательной самостоятельной работы по подготовке выполнить график лабораторного практикума своевременно практически невозможно.
Для стимулирования систематической самостоятельной работы студентов по изучению теоретического материала по некоторым разделам курса проводятся коллоквиумы, если они предусмотрены учебным планом. Коллоквиум проводится или в виде собеседования, или письменно (при первой попытке, в целях экономии времени) по указанным заранее вопросам, которые входят в перечень «Вопросов и заданий для самоконтроля и контрольных мероприятий».
Итоговым контрольным мероприятием (аттестацией) является экзамен. Вопросы к экзаменам, в отличие от вопросов к коллоквиуму, являются обзорными по соответствующим темам (они в большинстве случаев соответствуют темам лекций). Для успешного результата на экзаменах рекомендуется ответы на них продумывать, подготовить ( в виде кратких заметок) заранее, по мере изучения соответствующих тем (нескольких дней между экзаменами в сессии для подготовки ответов на все вопросы может не хватить).
В ответах на большинство вопросов нужно стараться придерживаться следующей последовательности:
1) привести определение физического явления с указанием условия возникновения этого явления или определение физической величины с указанием свойства (качества), количественной мерой которого она является;
2) указать, от чего и как они зависят (опытные закономерности, законы, формулы);
3) привести объяснение (толкование) опытных закономерностей в рамках той или иной теории (тех или иных представлений);
4) сравнить теоретические результаты с опытными и указать их соответствие и несоответствие друг другу;
5) указать причину несоответствия и привести объяснение несоответствия в новой теории.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Методические указания для решения задач
Систематическое решения задач – необходимое условие успешного изучения курса физики. Решение задач помогает уяснить физический смысл явлений, закрепляет в памяти формулы, прививает навыки практического применения теоретических знаний.
Умение решать задачи приобретается длительными и систематическими упражнениями. Чтобы научиться решать задачи, следует после изучения очередного раздела учебника внимательно разобрать помещенные в настоящем пособии примеры решения типовых задач, решить задачи из раздела «Задачи для самостоятельного решения», а также ряд задач из задачников по физике. Задачи для самостоятельного решения подобраны так, что содержат элементы задач, предлагаемых для контрольных работ. Поэтому решение задач из этого раздела подготавливает студента к выполнению контрольной работы.
Студентам рекомендуется решать задачи в соответствии со следующим планом.
1) Внимательно прочитать условие задачи, уяснить, какие физические процессы или явления в ней описываются.
2) Кратко записать условие задачи в столбик или в строчку, полностью отразив информацию, содержащуюся в условии задачи.
3) Четко уяснить вопрос задачи (что спрашивается в задаче).
4) Выразить все величины в единицах Международной системы единиц (СИ).
5) Сделать рисунок (чертеж, схему), поясняющий содержание и ход решения задачи (в тех случаях, когда это возможно).
6) Начинать решать задачу (при оформлении решения задачи в чистовике) логично с записи основного для решения данной задачи соотношения (физического закона, определения величины, выражающей связь между величинами формулы и др.), на основе которого находится искомая величина. (На практике это соотношение устанавливается обычно в процессе решения задачи на черновике).
Решение задачи можно начинать и с записи основного закона, которому посвящена задача.
7) Написать дополнительные соотношения для нахождения величин, которые входят в основное соотношение, но не заданы в условии задачи. (Составить систему уравнений, из которых можно найти искомую величину).
8) Решить задачу в общем виде:
а) из дополнительных соотношений выразить величины, входящие в основное соотношение, как правило, не делая вычислений;
б) подставить их в основное соотношение и произвести соответствующие преобразования;
в) выразить искомую величину через величины, заданные в условии задачи и взятые из таблиц (получить конечную формулу в буквенном выражении).
9) Решение задачи сопровождать краткими пояснениями (указать основные законы и формулы, на которых базируется решение, и обосновать правомочность их использования).
10) Подставить в окончательную формулу числовые значения величин, выраженных в единицах СИ, и произвести вычисления, руководствуясь правилами приближенных вычислений.
11) Записать в ответе числовое значение и сокращенное наименование единицы измерения искомой величины.
12) Оценить, где это целесообразно, правдоподобность ответа (оценить ответ на физическую реальность).
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Вопросы к экзаменам (курс 2, семестр 3)
1.1. Векторный, координатный и естественный способы описания механического движения точки. Кинематические величины: перемещение, пройденный путь, скорость, ускорение, нормальное и тангенциальное ускорения.
1.2. Описание движения точки по окружности и вращательного движения твёрдых тел. Угловые кинематические величины: угол поворота, угловая скорость, вектор угловой скорости, угловое ускорение. Их связь с линейными кинематическими величинами.
1.3. Первый закон Ньютона. Инерциальная система отсчёта. Сила и импульс силы. Масса и импульс тела. Второй закон Ньютона и решение основной задачи механики на его основе. Условия различных движений тел.
1.4. Динамика вращательного движения твёрдых тел вокруг неподвижной оси: момент силы, момент импульса, момент инерции, основной закон динамики вращательного движения тел.
1.5. Законы сохранения и их роль в механике. Законы сохранения импульса, момента импульса.
1.6. Работа силы. Консервативные и диссипативные силы. Условие консервативности силы. Циркуляция вектора силы. Потенциальные и вихревые векторные поля.
1.7. Энергия тела. Кинетическая и потенциальная энергии тела. Энергия как универсальная мера всех форм движения и всех видов взаимодействия. Закон сохранения энергии.
1.8. Кинетическая энергия, ее формула. Связь кинетической энергии с работой силы. Кинетическая энергия вращательного движения тела.
1.9. Потенциальная энергия. Связь работы силы взаимодействия тел с потенциальной энергией этого взаимодействия. Примеры формул потенциальной энергии взаимодействия тел.
1.10. Связь силы взаимодействия с потенциальной энергией этого взаимодействия. Градиент потенциальной энергии.
1.11. Механическая энергия системы тел. Закон сохранения механической энергии. Закон сохранения механической энергии тел во внешнем консервативном поле сил.
1.12. Потенциальная кривая, анализ движения тел в потенциальном поле сил на ее основе. Положения устойчивого, неустойчивого и безразличного равновесия. Характер движения тел вблизи этих положений.
1.13. Кинематика гармонических механических колебаний: смещение, амплитуда, период, частота, фаза, циклическая частота, уравнение колебаний, скорость и ускорение.
1.14. Динамика гармонических механических колебаний: условие гармонических колебаний; квазиупругая сила; пружинный, математический и физический маятники. Приведенная длина физического маятника.
1.15. Кинетическая и потенциальная энергии гармонического осциллятора. Их изменение со временем. Полная механическая энергия гармонического осциллятора.
2.1. Электростатическое взаимодействие. Электрический заряд. Закон Кулона. Электростатическое поле, его характеристики: напряженность, электрическое смещение, потенциал. Расчет электростатического поля зарядов на основе формул напряженности и потенциала поля точечных зарядов (по принципу суперпозиции).
2.2. Поток электрического смещения. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля. Расчет электростатических полей на ее основе.
2.3. Работа электростатического поля по перемещению электрического заряда. Разность потенциалов. Связь напряженности электростатического поля с потенциалом.
2.4. Взаимодействие неподвижных и движущихся зарядов. Магнитное поле, его характеристики: индукция, напряженность. Закон Био-Савара-Лапласа, расчет магнитного поля проводников с током на его основе.
2.5. Циркуляция напряженности магнитного поля. Теорема о циркуляции напряженности магнитного поля проводников с постоянным током. Расчет магнитного поля проводников с постоянным током на ее основе.
2.6. Сила Ампера. Рамка с током в магнитном поле. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле.
2.7. Поток индукции магнитного поля. Теорема Остроградского-Гаусса для магнитного поля проводников с постоянным током. Работа магнитного поля по перемещению проводников с постоянным током.
2.8. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Электромагнитная индукция в проводнике, движущемся относительно магнитного поля.
2.9. Электромагнитная индукция в проводнике, находящемся в изменяющемся со временем магнитном поле. Первое положение теории электромагнитного поля Максвелла.
2.10. Второе положение теории электромагнитного поля Максвелла. Уравнения Максвелла.
2.11. Электромагнитная индукция в проводнике, покоящемся в движущемся магнитном поле. Относительность и единство магнитных и электрических полей.
3.1. Механическая (упругая) волна. Механизм возникновения и условия существования упругих волн. Поперечные и продольные волны. Скорость упругих волн. Длина волны и волновое число. Фронт волны. Плоская и сферическая волны. Уравнение плоской волны. Волновое уравнение.
3.2. Энергетические характеристики волн: объемная плотность энергии, поток энергии, плотность потока энергии, интенсивность волн. Спектральные энергетические величины.
3.3. Электромагнитная волна, условие и механизм ее возникновения. Скорость и длина электромагнитной волны в вакууме и в различных средах. Показатель преломления среды. Поперечность электромагнитной волны. Фазы колебаний Е и Н в электромагнитной волне. Взаимодействие электромагнитной волны с веществом, явления, которые имеют место при этом. Шкала электромагнитных волн. Характеристика электромагнитных волн различных интервалов длин волн.
3.4. Интерференция волн. Когерентные колебания и волны. Условия когерентности волн. Оптическая длина пути (о. д.п.) волны. Связь разности о. д.п. волн с разностью фаз колебаний, вызываемых волнами. Амплитуда результирующего колебания при интерференции двух волн. Условия максимумов и минимумов амплитуды при интерференции двух волн.
3.5. Сложение двух гармонических колебаний с одинаковыми частотами, совершающихся в одном направлении. Амплитуда и фаза результирующего колебания. Зависимость амплитуды результирующего колебания от амплитуд и разности фаз складывающихся колебаний. Условия усиления и максимального усиления колебаний. Условия ослабления и наибольшего ослабления колебаний.
3.6. Интерференционные полосы и интерференционная картина. Вид интерференционной картины и распределение интенсивности при интерференции двух сферических волн. Ширина интерференционной полосы. Интерференционный спектр.
3.7. Способы осуществления интерференции света. Осуществление интерференции света с помощью тонкой пленки. Разность о. д.п. волн для интерференции на тонкой пленке в отраженном и в проходящем свете. «Потеря» полуволны при отражении. Условия максимумов и минимумов интерференции света на плоской пленке в отраженном и в проходящем свете.
3.8. Частные случаи интерференции света на тонкой пленке: цвета пленки, полосы равной толщины, полосы равного наклона.
3.9. Стоячая волна как частный случай интерференции. Уравнение плоской стоячей волны. Амплитуда стоячей волны. Узлы и пучности стоячей волны, их координаты. Расстояния между соседними пучностями и узлами. Фазы колебаний частиц среды между соседними узлами и с разных сторон узла стоячей волны. Опишите превращения энергии в стоячей волне.
3.10. Образование стоячей волны в сплошной ограниченной среде. Условия возникновения стоячей волны в стержне, в столбе воздуха, в натянутой струне. Собственные (нормальные, резонансные) частоты колебаний стержня, столба газа в трубе, натянутой струны.
3.11. Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля, объяснение дифракции на ее основе. Методы применения принципа Гюйгенса-Френеля: аналитический метод, графический метод, метод зон
Френеля.
3.12. Дифракция Френеля на круглом отверстии и на круглой преграде. Прямолинейность распространения света. Переход от волновой оптики к геометрической оптике.
3.13. Дифракция Фраунгофера на одной щели, на двух щелях, на дифракционной решетке. Дифракционный спектр. Понятие о голографии.
3.14. Естественный свет. Поляризованный свет. Способы получения поляризованного света. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера.
3.15. Оптическая анизотропия. Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей. Ход обыкновенного и необыкновенного лучей в призме Николя. Дихроизм, поляроиды.
3.16. Интенсивность поляризованного света, прошедшего через поляризующее устройство. Закон Малюса. Поляризатор и анализатор.
3.17. Искусственная анизотропия. Применение искусственной анизотропии для анализа напряженных состояний (фотоупругость).
3.18. Вращение плоскости поляризации. Оптически активные вещества. Постоянная вращения оптически активного вещества (удельная оптическая активность).
Вопросы к экзаменам (курс 2, семестр 4)
4.1 Тепловое излучение. Равновесность теплового излучения. Характеристики теплового излучения.
4.2 Закон Кирхгофа; функция Кирхгофа. Спектр теплового излучения абсолютно черного тела при различных температурах.
4.3 Первый и второй законы Вина для теплового излучения тел. Формула Рэлея-Джинса, ее не соответствие спектру теплового излучения.
4.4 Гипотеза Планка. Формула Планка для кванта энергии гармонического осциллятора. Формула Планка для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела и ее соответствие опытным законам теплового излучения.
4.5 Внешний фотоэлектрический эффект. Электрическая схема его наблюдения. Закон сохранения энергии при вылете электрона из металла (при фотоэффекте). Вольтамперная характеристика фототока при различных падающих потоках энергии монохроматического света и при различных частотах падающего света.
4.6 Опытные закономерности и законы внешнего фотоэффекта. Сила фототока насыщения. Задерживающее напряжение. Красная граница фотоэффекта. Безынерционность фотоэффекта.
4.7 Невозможность объяснения закономерностей и законов фотоэффекта на основе только волновых представлений о свете. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Объяснение опытных закономерностей фотоэффекта на основе квантовых представлений о свете.
4.8 Фотоны, их характеристики.
4.9 Корпускулярно-волновая природа света.
4.10 Ядерная модель атома. Ее несоответствие классической физике.
4.11 Постулаты Бора. Объяснение спектральных закономерностей излучения атомов водорода на их основе. Объяснение устойчивости атомов в квантовой физике.
4.12 Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц. Формула де Бойля. Корпускулярно-волновая природа частиц. Экспериментальное подтверждение волновых свойств электронов.
4.13 Волновая функция. Уравнение бегущей и стоячей волн как примеры волновой функции.
4.14 Неопределенности характеристик микрочастиц. Соотношения неопределенностей.
4.15 Уравнение Шредингера. Его роль в квантовой физике. Стационарное состояние частицы. Волновая функция и уравнение Шредингера для стационарных состояний.
4.16 Свободная частица. Уравнение Шредингера и его решение для свободной частицы.
4.17 Потенциальная кривая. Потенциальная яма. Потенциальный барьер. Уравнение Шредингера и его решение для частицы в прямоугольной бесконечной потенциальной яме. Квантование волнового числа, импульса и энергии частицы.
4.18 Уравнение Шредингера для гармонического осциллятора. Условие квантования энергии и его сопоставление с формулой Планка для энергии гармонического осциллятора. Прохождение частицы через потенциальный барьер (туннельный эффект).
4.19 Водородоподобный атом (ион). Уравнение Шредингера для электрона в водородоподобном атоме. Квантование энергии, орбитального момента импульса, проекции орбитального момента импульса электрона на физически выделенное направление. Смысл главного, орбитального и магнитного квантовых чисел.
4.20 Распределение плотности вероятности местонахождения электрона в атоме (электронное облако). Боровский радиус. Объяснение устойчивости атомов.
4.21 Спин электрона. Спиновое квантовое число.
4.22 Принцип Паули для электронов в многоэлектронных атомах.
4.23 Электронные слои (оболочки) и оболочки (подоболочки) многоэлектронных атомов. Последовательность их заполнения. Число электронов в заполненных слоях и оболочках атомов.
4.24 Электронные конфигурации атомов. Объяснение периодичности химических свойств элементов (закон Менделеева).
4.25 Поглощение и изучение энергии атомами. Правило частот Бора. Правила отбора. Серии линий в спектрах излучения атомов.
4.26 Самопроизвольное и вынужденное излучение. Понятие об излучении лазеров и его особенностях.
4.27 Состав и строение ядер атомов. Взаимодействие нуклонов. Энергия связи ядер.
4.28 Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения, их природа и происхождение. Закон радиоактивного распада.
4.29 Ядерные реакции. Типы ядерных реакций. Реакция деления тяжелых ядер. Цепная реакция деления ядер. Реакция синтеза легких ядер.
4.30 Элементарные и фундаментальные частицы, их характеристики. Обменный механизм взаимодействия. Единство взаимодействия и материи.
5.1 Предмет статистической физики и термодинамики. Примеры систем многих частиц. Динамический, статистический и термодинамический методы описания состояния и поведения систем многих частиц. Средние (статистические) характеристики частиц и способ их вычисления. Функция распределения Максвелла.
5.2 Молекулярно-кинетические представления о строении вещества. Агрегатные состояния вещества. Характер движения молекул в газах, в твердых телах и жидкостях.
5.3 Взаимодействие молекул. Эффективный диаметр молекул. Длина свободного пробега молекул газа. Модель идеального газа и модель газа Ван-дер-Ваальса.
5.4 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
5.5 Связь средней кинетической энергии молекул с абсолютной температурой, теорема о распределении молекул по степени свободы; внутренняя энергия идеального газа и ее связь со средней кинетической энергией молекул и с абсолютной температурой.
5.6 Уравнение состояния. Уравнение Менделеева - Клапейрона и Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа и Ван-дер-Ваальса.
5.7 Внутренняя энергия и способы ее изменения. Работа газа. Способы теплопередачи. Количество теплоты и теплоемкость. Химический потенциал. Первый закон термодинамики.
5.8 Изотермический процесс. Закон Бойля-Мариотта. Работа газа, теплоемкость, изменение внутренней энергии, первый закон термодинамики, изменение энтропии при изотермическом процессе.
5.9 Изохорный процесс. Закон Шарля. Работа газа, теплоемкость, изменение внутренней энергии, первый закон термодинамики, изменение энтропии при изохорном процессе.
5.10 Изобарный процесс. Закон Гей-Люссака. Работа газа, теплоемкость, изменение внутренней энергии, первый закон термодинамики, изменение энтропии при изобарном процессе.
5.11 Классическая теория теплоемкости. Формулы молярной теплоемкости газов при постоянном давлении и при постоянном объеме. Уравнение Майера. Расхождение классической теории теплоемкости газов и твердых тел с экспериментом. Объявление зависимости теплоемкости газов от температуры в квантовой физике.
5.12 Адиабатный процесс. Уравнение Пуассона. Работа газа, теплоемкость, изменение внутренней энергии, первый закон термодинамики, изменение энтропии при адиабатном процессе.
5.13 Круговые процессы. Работа газа, теплоемкость, изменение внутренней энергии, первый закон термодинамики, изменение энтропии при круговом процессе. Цикл Карно. К. п.д. идеального цикла Карно и реальных циклов. Причина их расхождения.
5.14 Обратимые и необратимые процессы. Необратимость механических, тепловых и электромагнитных процессов; особенность тепловой энергии. Второй закон термодинамики.
5.15 Энтропия системы. Принцип возрастания энтропии. Энтропия как количественная мера беспорядка (хаотичности). Термодинамическая вероятность (статистический вес), ее связь с энтропией. Изменение энтропии при изопроцессах и адиабатном процессе.
5.16 Порядок и беспорядок в природе. Закономерности развития.
5.17 Равновесные и неравновесные состояния системы. Процессы переноса (теплопроводность, диффузия, вязкость, электропроводность), условия их возникновения и их характеристики. Эмпирические уравнения явлений переноса: Фурье, Фика, Ньютона, Ома. Коэффициенты переноса.
5.18 Диффузия. Условие ее возникновения. Поток и плотность потока массы. Коэффициент диффузии. Уравнение диффузии (закон Фика). Вывод уравнения диффузии газов (закон Фика) на основе молекулярно-кинетической теории. Зависимость коэффициента диффузии газов от давления и температуры.
5.19 Теплопроводность. Условие ее возникновения. Поток и плотность потока энергии теплового движения молекул (количества теплоты). Коэффициент теплопроводности. Уравнение теплопроводности (закон Фурье). Вывод уравнения теплопроводности газов (закона Фурье) на основе молекулярно-кинетических представлений. Зависимость коэффициента теплопроводности газов от давления и температуры.
5.20 Теплопроводность твердых тел. Понятие о квантовой теории теплопроводности твердых тел.
5.21 Вязкость (внутреннее трение). Условие ее возникновения. Поток и плотность потока импульса упорядоченного движения молекул. Сила внутреннего трения. Коэффициент вязкости (динамическая вязкость). Уравнение вязкости (закон Ньютона). Вывод уравнения вязкости газов (закона Ньютона) на основе молекулярно-кинетических представлений. Зависимость коэффициента вязкости газов от давления и температуры.
5.22 Электропроводность как вынужденная диффузия. Условие ее возникновения. Поток заряда (сила тока) и плотность потока заряда (плотность тока). Коэффициент электропроводности (удельная электропроводность) и удельное сопротивление вещества. Уравнение электропроводности (закон Ома в дифференциальной форме).
5.23 Вывод уравнения электропроводности (закона Ома в дифференциальной форме) металлов в классической электронной теории. Зависимость коэффициента электропроводности металлов от температуры.
5.24 Несоответствие результатов классической электронной теории электропроводности металлов опытным данным. Электропроводность металлов согласно квантовой физике.
СОДЕРЖАНИЕ 1. Из истории кафедры физики ………………………………………… 2. Цели изучения дисциплины «Физика» ………………………………. 3. Перечень основной и дополнительной литературы ………………… 4. Объем дисциплины и виды учебной работы ……………………….. 5. Разделы дисциплины и виды занятий ……………………………….. 6. План учебных занятий. Курс 1, семестр 2 …………………………. 6.1. Формы и график проведения текущих и промежуточных контрольных мероприятий (аттестаций) с указанием вклада в процент успеваемости и в ИНО ……………………………………………………. 6.2. План лекций ………………………………………………………. 6.3. План практических и лабораторных занятий …………………… 6.4. Примеры вариантов домашних заданий ………………………… 6.5. Планы подготовки к лабораторным работам …………………… 6.6. Примеры вариантов заданий к коллоквиуму («Механика») …… 6.7. Примеры вариантов заданий для контрольных работ …………. 7. План учебных занятий. Курс 2, семестр 3 …………………………… 7.1. Формы и график проведения текущих и промежуточных контрольных мероприятий (аттестаций) с указанием вклада в процент успеваемости и в ИНО …………………………………….………………. 7.2. План лекций ……………………………………………………….. 7.3. План практических занятий ………………………….…..……….. 7.4. План лабораторных занятий ………………………….….……….. 7.5. Примеры вариантов домашних заданий …………………………. 7.6. Планы подготовки к лабораторным работам ……….……..…….. 7.7. Примеры вариантов заданий к коллоквиуму («Электромагнитное поле») ………………………………………………………….………. 7.8. Примеры вариантов заданий для контрольных работ …………. 8. План учебных занятий. Курс 2, семестр 4 …………………………… 8.1. Формы и график проведения текущих, промежуточных и итоговых контрольных мероприятий (аттестаций) с указанием вклада в процент успеваемости и в ИНО ………………………….……………….. 8.2. План лекций ……………………………………………………….. 8.3. План практических и лабораторных занятий …………………… 8.4. Примеры вариантов домашних заданий ……………………….. 8.5. Планы подготовки к лабораторным работам …………………… 8.6. Примеры вариантов заданий к коллоквиуму («Элементы квантовой физики и физика атома») ……………………………………… 8.7. Примеры вариантов заданий для контрольной работы по теме «Молеклярная физика» …………………………………………..……….. Приложение 1. Методические указания по выполнению самостоятельной работы ……………………………………………………………. Приложение 2. Методические указания для решения задач ………. Приложение 3. Вопросы к экзаменам ………………………………. | 1 3 5 6 7 8 8 8 10 14 15 19 22 25 25 26 30 32 37 38 40 42 45 45 46 48 52 53 56 57 59 61 62 |
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 |
