Молекулярная физика (стр. 3 )

Самоорганизующиеся системы. Устойчивые состояния неравновесных систем. Самоорганизация в больших системах. Ячейки Бенара. Реакция Белоусова–Жаботинского. Детерминированный хаос. Эволюция неравновесных систем. Синергетика.

Заключение. Современная физическая картина мира и окружающий мир.

3. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Для обеспечения освоения данной дисциплины имеются: оборудованные аудитории; технические средства обучения (компьютеры, пакеты компьютерных программ; наглядные пособия; кодоскопы, кодограммы).

III. Организация аудиторной и самостоятельной работы студентов

1. Организация аудиторной работы студентов

1.1. Краткое содержание лекций

Лекция 1. Введение. Предмет и методы молекулярной физики. Краткий исторический обзор развития молекулярной физики. Основы молекулярно–кинетической теории вещества. Экспериментальное обоснование молекулярно–кинетических представлений.

Лекция 2. Макросистема, ее параметры и состояния. Функции и уравнения состояний. Давление. Температура.

Лекция 3. Газовые законы. Теплота и работа. Теплоемкость. Измерение температуры.

Лекция 4. Идеальный газ. Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Его внутренняя энергия. Равновесное распределение энергии хаотического движения молекул газа по степеням свободы. Теплоемкость газов.

Лекция 5. Случайное и упорядоченное состояния идеального газа. Равновесное и неравновесное состояния. Число микросостояний как функция состояния макросистемы. Энтропия – количественная мера беспорядка в макросистеме. Множитель Больцмана. Средние величины и флуктуации.

Лекция 6. Функции распределения для идеального газа. Распределение Максвелла. Экспериментальная проверка распределения Максвелла. Распределение Больцмана. Барометрическая формула.

Лекция 7. Экспериментальная проверка распределения Больцмана. Распределение Максвелла– Больцмана. Определение постоянной Авогадро. Функции распределения по энергиям для квантовых частиц.

Лекция 8. Явление переноса в газах. Столкновение молекул. Сечения рассеяния. Характеристики соударений. Диффузия. Диффузионный электрический ток. Соотношение Эйнштейна. Теплопроводность. Вязкое трение. Газы в состоянии технического вакуума.

Лекция 9. Основы термодинамики. Внутренняя энергия – функция состояния системы. Работа – функция процесса. Количество теплоты – функция процесса. Первое начало термодинамики. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Скорость звука в газе.

Лекция 10. Энтропия и приведенная теплота. Второе начало термодинамики. Тепловые машины. Цикл Карно. Теоремы Карно. Циклы Отто и Дизеля. Обращенный цикл Карно.

Лекция 11. Холодильная машина. Термодинамическая шкала температур. Третье начало термодинамики. Недостижимость абсолютного нуля. Свободная энергия. Энтальпия. Тепловое загрязнение биосферы.

Лекция 12. Реальные газы и жидкости. Отступление реальных газов от законов идеальных газов. Уравнение Ван–дер–Ваальса. Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля–Томсона.

Лекция 13. Сжижение газов и получение низких температур. Фазовые переходы. Равновесие жидкости и пара. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса. Кипение. Свойства жидкого состояния. Поверхностный слой жидкости. Поверхностное натяжение. Смачивание. Формула Лапласа. Капиллярные явления. Осмотическое давление. Растворы.

Лекция 14. Понятие о плазме. Плазма. Методы получения и основные характеристики плазмы. Экспериментальные методы определения параметров плазмы. Поведение плазмы в электрических и магнитных полях. Некоторые применения плазмы.

Лекция 15. Твердые тела. Аморфные и кристаллические тела. Квазикристаллы Кристаллические решетки. Классификация кристаллов по типу связей. Анизотропия кристаллов. Дефекты в кристаллах. Механические свойства кристаллов.

Лекция 16. Тепловые свойства кристаллов. Тепловое расширение. Плавление и кристаллизация. Диаграммы равновесия твердой, жидкой и газовой фаз. Тройная точка. Жидкие кристаллы.

Лекция 17. Теплоемкость кристаллов, объяснение ее температурной зависимости классической теорией, теорией Эйнштейна и Дебая. Понятие о Фотонах. Теплопроводность диэлектрических кристаллов

Лекция 18. Электроны в твердом теле. Теплоемкость металлов. Электропроводность и теплопроводность металлов. Закон Видемана–Франца. Понятие об энергетических зонах в кристалле. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Контактные явления в металлах и полупроводниках. Оптические свойства кристалла. Квантовые явления при низких температурах. Сверхпроводимость. Сверхтекучесть.

Лекция 19. Самоорганизующиеся системы. Устойчивые состояния неравновесных систем. Самоорганизация в больших системах. Ячейки Бенара. Реакция Белоусова–Жаботинского. Детерминированный хаос. Эволюция неравновесных систем. Синергетика.

Лекция 20. Заключение. Современная физическая картина мира и окружающий мир.

1.2. Планы практических занятий и методические рекомендации к ним

Практическое занятие № 1, 2

Основные положения молекулярно-кинетической теории. Газовые законы

Цель: углубить основные понятия и законы темы, научиться использовать полученные знания для решения задач.

Вопросы теории:

1.  Основные представления о строении материи.

2.  Методы молекулярной физики.

3.  Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование.

4.  Макросистема, термодинамические параметры и состояния макросистемы. Функции и уравнения состояний.

5.  Относительная молекулярная и атомная массы вещества. Количество вещества. Моль. Молярная масса. Число Авогадро. Число молекул в теле. Постоянная Лодшмидта.

6.  Идеальный газ. Объем газа.

7.  Давление газа, его измерение. Основное уравнение МКТ. Постоянная Больцмана.

8.  Понятие температуры, методы ее измерения. Абсолютная температура Т. Шкала Кельвина. Определение 1 К в СИ. Абсолютный нуль температуры. Связь температуры с давлением.

9.  Диссоциация молекул. Степень диссоциации.

10.  Изопроцессы. Газовые законы. Покажите изображение изопроцессов в различных координатных осях: p, V; V, T; T, p.

11.  Как расположены на графиках изобары одной и той же массы газа при разных давлениях?

12.  Как расположены на графиках изохоры одной и той же массы газа при разных объемах?

13.  Как расположены на графиках изотермы одной и той же массы газа при разных температурах?

14.  Какая существует зависимость плотности газа от объема? Плотности газа от давления (при Т= const). Изобразите эти зависимости графически.

15.  Парциальное давление газа. Закон Дальтона. Закон Авогадро.

Практический блок: решение задач в аудитории.

Вопросы для самопроверки:

1.  Между молекулами стекла существуют силы сцепления. Почему, разбив стакан, мы не можем вновь «собрать» его, соединив осколки?

2.  Какие положения молекулярно-кинетической теории обосновывают следующие физические явления и опыты: сварка и пайка металлов, делимость вещества, сжимаемость тел, просачивание глицерина сквозь стенки мощного гидропресса, смачивание жидкостями поверхностей твердых тел?

3.  Можно ли обычным ртутным термометром измерить температуру одной капли горячей воды?

4.  Газ расширяется таким образом, что его давление и объем подчиняются условию =const. Известно, что объем газа увеличился в 2 раза. Как изменилась температура газа?

5.  Почему детский воздушный шар, наполненный воздухом, по мере поднятия вверх постепенно увеличивается в объеме?

6.  В какой зависимости могут находиться между собой давление, объем и температура при постоянной массе газа?

7.  Является ли уравнение состояния Менделеева-Клапейрона законом природы?

Практическое занятие № 3, 4

Распределение Максвелла молекул газа по скоростям. Распределение Больцмана.

Цель: углубить основные понятия и законы темы, научиться использовать полученные знания для решения задач.

Вопросы теории:

1.  Дайте определение вероятности случайной величины в физике.

2.  Что называется плотностью распределения случайной величины для сплошного спектра?

3.  Что называют средней квадратичной, средней арифметической, и наиболее вероятной скоростью теплового движения молекул? Как они зависят от абсолютной температуры?

4.  Запишите распределения Максвелла для скоростей молей и их проекций в общем виде.

5.  Какие существуют параметры распределения, от чего они зависят для распределения Максвелла.

6.  Запишите формулу плотности вероятности для распределения проекций скоростей молекул идеального газа.

7.  Запишите формулу плотности вероятности для распределения модулей скоростей молекул идеального газа.

8.  Что такое наивероятнейшая скорость.

9.  Как вычислить средние скорости молекул: арифметическую, среднеквадратичную.

10.  Запишите распределение Максвелла для модулей скоростей молекул в приведенном виде.

11.  Опишите принципиальные схемы экспериментальной проверки существования распределения Максвелла.

12.  Какие силы в природе называют потенциальными? Что называют потенциальной энергией.

13.  Что называют барометрической формулой? Как ее получить?

14.  Объясните опыт Перрена и его значение.

15.  Гипотеза Больцмана. Распределение Больцмана для частиц в потенциальном поле сил при тепловом равновесии.

16.  Объясните, почему меняется с высотой состав атмосферы?

17.  В каких слоях атмосферы воздух ближе к идеальному газу: у поверхности Земли или на больших высотах?

Практический блок: решение задач в аудитории.

Вопросы для самопроверки:

1.  Какие практические задачи можно решать с помощью теории Максвелла?

2.  Объясните, почему меняется с высотой состав атмосферы?