Департамент образования города Москвы
Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОРОДСКОЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики и информатики
Общеинcтитутская кафедра естественнонаучных дисциплин
ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ФИЗИКА
по направлению подготовки
050100.62 Педагогическое образование
(квалификация (степень) «бакалавр»)
Авторы: Профессор, д. т.н.
Доцент, к. т.н.
Москва
2012
Введение
Данный учебно-методический комплекс предназначен для студентов факультета математики, обучающихся по специальности прикладная информатика на дневном отделении. Ввиду незначительного объёма аудиторных часов учебный план данной дисциплины составлен так, что часть тем изучается на лекции, другая часть тем изучается при выполнении лабораторных работ и остальные темы распределены в домашних заданиях и вынесены на самостоятельную работу студентов.
Программа подготовки бакалавра по физике рассчитана на односеместровый курс, включающий 21 час лекций и 36 часов лабораторных работ и 18 часов практических занятий.
Содержание данной дисциплины составлено так, что реализует следующие компетенции:
Общекультурные компетенции (ОК)
- способен анализировать мировоззренческие, социально и личностно значимые философские проблемы (ОК-2); способен использовать знания о современной естественнонаучной картине мира в образовательной и профессиональной деятельности, применять методы математической обработки информации, теоретического и экспериментального исследования (ОК-4);
Виды работ по дисциплине | ||
Лекции | Практические занятия | Лабораторные работы |
21 час | 18 час | 18 час |
Программа
Реализация компетенции ОК(2)
Кинематика видимых движений
Понятие материальной точки. Скорость. Прямолинейное равномерное движение. Ускорение. Прямолинейное равноускоренное движение. Криволинейное движение материальной точки. Нормальное и тангенциальное ускорение. Движение материальной точки по окружности: угловая скорость и угловое ускорение, их связь с линейной скоростью и ускорением. Период вращения. Первый закон Ньютона. Системы отсчёта (Инерциальные системы отсчёта). Законы движения планет (законы Кеплера). Примеры ненаблюдаемых движений: броуновское движение, движение электронов в планетарной модели атома.
Силовые взаимодействия тел.
Сила, как причина ускоренного движения. Второй закон Ньютона. Масса, импульс, сила. Работа силы. Мощность Закон всемирного тяготения. Ускорение свободного падения, сила тяжести. Работа силы тяжести и консервативные силы. Близкодействие и дальнодействие, как характеристика силового взаимодействия тел. Центральные силы. Внутренние и внешние силы. Третий закон Ньютона. Движение материальной точки в поле тяготения (расчёт траектории). Кинетическая и потенциальная энергии. Количество движения. Моменты импульса и силы. Законы сохранения энергии, импульса и силы. Сила упругости и сила трения. Инвариантность второго закона Ньютона относительно преобразования Галилея. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела с закрепленной осью вращения, как обобщение второго закона Ньютона. Момент импульса тела. Момент инерции, как аналог массы материальной точки. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела.
Тепловые движения, как пример ненаблюдаемых движений.
Молекулярно-кинетическая гипотеза. Законы упругого удара, как модель движения молекул в поле центральных сил. Максвелловское распределение молекул по скоростям. Понятие температуры и давления газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Распределение Больцмана и барометрическая формула. Уравнение состояния идеальных газов. Уравнение Ван-Дер-Ваальса.
Термодинамический анализ тепловых движений.
Внутреннее состояние вещества. Теплоемкость, температура, давление и плотность. Изохорический, изобарический, изотермический, адиабатический процессы в идеальных газах. Уравнение Майера. Первое начало термодинамики Преобразование теплоты в механическую работу. Цикл Карно и его коэффициент полезного действия. Энтропия и второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Третье начало термодинамики. Вечные двигатели первого и второго рода.
Колебательные и волновые процессы в природе.
Гармонические колебания. Свободные затухающие колебания осциллятора с потерями. Вынужденные колебания. Резонанс. Амплитуда, частота и фаза колебания. Примеры колебательных движений различной физической природы: звуковые колебания, колебания электромагнитных волн, сейсмические колебания и волны на водной поверхности. Сложение колебаний (биения, фигуры Лиссажу). Разложение и синтез колебаний, понятие о спектре колебаний. Связанные колебания. Волновое движение. Плоская гармоническая волны. Длина волны, волновое число, фазовая скорость, групповая скорость. Уравнение распространения волн. Преобразование Лоренца. Специальная теория относительности. Относительность одновременности и преобразования Лоренца. Парадоксы релятивистской кинематики: сокращение длины и замедление времени в движущихся системах отсчета. Релятивистский импульс. Взаимосвязь массы и энергии в СТО. СТО и ядерная энергетика. Упругие волны в газах жидкостях и твердых телах. Плоские и сферические электромагнитные волны в природе. Поляризация волн. Показатель преломления среды. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность волны. Излучение электрического диполя.
Электрические и магнитные силы.
Природа электростатических сил. Закон Кулона, как количественная характеристика взаимодействия неподвижных зарядов. Напряженность и потенциал электростатического поля и магнитостатического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме и ее применение для расчета электрических полей.
Движение электрических зарядов. Проводники. Сила и плотность тока. Сопротивление. Законы Ома и Джоуля-Ленца для проводника с током. Электрические цепи. Равновесие зарядов в проводнике. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля между проводниками. Емкость проводников и конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора. Электродвижущая сила источника тока. Правила Кирхгофа. Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Закон Фарадея для электромагнитной индукции. Индуктивность соленоида. Включение и отключение катушки от источника постоянной эдс. Полупроводники. Диэлектрическая проницаемость вещества. Магнитная проницаемость вещества. Законы Ампера и Био-Савара-Лапласа. Система уравнений Максвелла в интегральной форме и физический смысл входящих в нее уравнений. Примеры действия электромагнитных сил в природе.
Оптические явления в природе
Геометрическая оптика и оптические приборы (микроскоп и подзорная труба). Принцип Гюйгенса-Френеля. Интерференционное поле от двух точечных источников. Многолучевая интерференция. Интерферометры. Дифракция Френеля на простейших преградах. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Форма и степень поляризации монохроматических волн. Получение и анализ линейно-поляризованного света. Линейное двулучепреломление. Фотоупругость.
Ненаблюдаемые движения в микромире.
Понятие о микромире. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарная модель атома. Модель Бора. Постулаты Бора. Кристаллическая решётка твёрдого тела. Электронный газ. Проводимость и сверхпроводимость. Излучение нагретых тел. Спектральные характеристики теплового излучения. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина. Абсолютно черное тело. Формула Релея-Джинса и «ультрафиолетовая катастрофа». Гипотеза Планка. Квантовое объяснение законов теплового излучения. Законы фотоэффекта. Работа выхода. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Давление света. Опыты Лебедева. Эмпирические закономерности в атомных спектрах. Формула Бальмера. Гипотеза де Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера. Дифракция микрочастиц. Принцип неопределенности Гейзенберга. Уравнение Шредингера. Квантовая частица в одномерной потенциальной яме. Одномерный потенциальный порог и барьер. Стационарное уравнение Шредингера для атома водорода. Волновые функции и квантовые числа. Правила отбора для квантовых переходов. Опыт Штерна и Герлаха. Эффект Зеемана. Радиоактивность. Ядерные реакции. Деление ядер. Термоядерные реакции. Методы регистрации элементарных частиц.
Реализация компетенций ОК4 и ОК8.
Экспериментальное изучение физических явлений в лабораторных условиях.
Физические измерения механических колебаний математического маятника, физического маятника, упругого маятника и маятника с крутильными колебаниями.
Опытная проверка законов электромагнетизма: закона Ома, закона магнитной индукции, правил Кирхгофа и методов расчёта характеристик электрических цепей.
Экспериментальное изучение оптических явлений: дифракции на щели, дифракции на решётке, явлений поляризации и характеристик отражения и преломления волн на границах раздела сред.
Анализ погрешностей измерений.
Разброс экспериментальных данных. Случайные и систематические ошибки. Анализ погрешностей при вычислении косвенных величин: ускорение свободного падения, моментов инерции тел, ширины оптической щели, шага оптической решётки, величины индукции соленоида, ёмкости конденсатора, сопротивления электрической цепи.
Учебный план курса
План лекционных занятий
Лекция 1. Первый закон Ньютона. Системы отсчёта (Инерциальные системы отсчёта). Сила, как причина ускоренного движения. Второй закон Ньютона. Масса, количество движения. Работа силы. Мощность. Третий закон Ньютона.
Лекция 2. Молекулярно-кинетическая гипотеза. Законы упругого удара, как модель движения молекул в поле центральных сил. Максвелловское распределение молекул по скоростям.
Лекция 3. . Понятие температуры и давления газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Распределение Больцмана и барометрическая формула. Уравнение состояния идеальных газов.
Лекция 4. Внутреннее состояние вещества. Первое начало термодинамики. Энтропия и второе начало термодинамики. Третье начало термодинамики.
Лекция 5. Плоская гармоническая волны. Длина волны, волновое число, фазовая скорость, групповая скорость. Уравнение распространения волн. Преобразование Лоренца. Специальная теория относительности.
Лекция 6. Природа электростатических сил. Закон Кулона. Законы Ома и Джоуля-Ленца для проводника с током.
Лекция 7. Закон Фарадея для электромагнитной индукции. Законы Ампера и Био-Савара-Лапласа.
Лекция 8. Предмет геометрической оптики. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Лекция 9. Интерференционное поле от двух точечных источников. Дифракция Френеля на простейших преградах.
Лекция 10. Понятие о микромире. Модель атома Томсона. Планетарная модель атома. Модель атома Бора.
Лекция 11. Излучение нагретых тел. Гипотеза Планка. Законы фотоэффекта.
План лабораторных работ
Лабораторная работа №1 Изучение колебаний математического маятника.
Лабораторная работа №2 Изучение колебаний физического маятника.
Лабораторная работа №3 Экспериментальное определение ёмкости конденсатора.
Лабораторная работа №4 Изучение явления поляризации.
План практических занятий
Занятие 1 Гравитационное поле.
Занятие 2 Вращательное движение. Момент инерции.
Занятие 3 Взаимодействие тел.
Занятие 4 Уравнение состояния идеального газа.
Занятие 5 Насыщенный пар. Энтропия.
Занятие 6 Электрические явления.
Занятие 7 Магнитное поле.
Занятие 8 Оптические явления.
Занятие 9 Квантовые явления.
Основная и дополнительная литература
Основная
. Курс физики. В 3 томах . Основные законы физики. В 5 томах. . Задачи по общей физике. Чертов, Воробьев. Задачник по физике. , . Курс электротехники и радиотехники. . Курс физики. В 4 томах . Триггеры. , ., . Физический практикум (Механика, Электричество и магнетизм). Учебное пособие. , , . Физический практикум. (Оптика).
Дополнительная
Берклеевский курс физики. В 5 томах Фейнман, Лейтон, Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. В 9 томах. Орир Дж. Физика. Сборник задач по общему курсу физики. Под ред. . В 3 томах . Сборник вопросов и задач по общей физике. Общая физика. Руководство по лабораторному практикуму. Под ред. и . . Руководство к решению задач по курсу общей физики