Программа курса. .

Специальность «Геоэкология и природопользование»
Дисциплина «Физика»
Содержание дисциплины. В скобках указаны номера примерных
задач (по пособию «Задачи по физике», изд. РГУ; на сайте кафедры
– «Задачник»).
Основные положения кинематики
Предмет изучения кинематики. Модели реальных объектов в механике
– материальная точка, абсолютно твердое тело. Характеристики поступательного движения материальной точки: радиус-вектор, вектор перемещения,
путь, скорость, ускорение. Выражения для характеристик криволинейного
движения с помощью единичных векторов. Модули этих величин. Выражение вектора изменения скорости через ускорение. Выражение вектора перемещения через скорость. Траектория движения материальной точки. Средняя
скорость и среднее ускорение в одномерном случае. (34, 37)
Прямолинейное равнопеременное движение материальной точки –
функции υx(t), x(t), x(υx,ax). (46,53,58) Движение свободно брошенного тела
– горизонтальный бросок, бросок под углом. Выражения для υx(t), υy(t), υ(t),
x(t), y(t). Графики этих функций. Выражения для траекторий движения y(x).
Горизонтальная дальность броска. Максимальная высота подъема. (79, 81,
116, 119, 135, 142, 153)
Общий случай плоского криволинейного движения, его характеристики
– скорость, путь, тангенциальное, нормальное и полное ускорения. Нормальное ускорение при движении по окружности.
Характеристики вращательного движения твердого тела – угол поворота, угловая скорость, частота и период вращения, угловое ускорение. Связь
линейных и угловых (вращательных) характеристик движения. (163, 167,
171)
Основные положения динамики материальной точки и систем
точек
Предмет изучения динамики. Основные величины в динамике – масса,
импульс, сила. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона.
Принцип относительности. Второй закон Ньютона – в общем случае и для
точки с постоянной массой. Третий закон Ньютона. Область применения законов Ньютона. Основные взаимодействия в природе.
Силы в механике. Закон всемирного тяготения. Земное тяготение. Ускорение свободного падения, его выражение через массу (или среднюю плотность) и радиус планеты. (284, 288) Зависимость ускорения свободного падения от высоты над поверхностью планет ы. Скорость движения планетарных
спутников (для круговых орбит).Период обращения спутника. (294, 297, 300)
Геостационарные орбиты (спутники связи). Вес тел. Невесомость в земных
(и околоземных) условиях. Силы упругости. Закон Гука. Нормальная реакция опоры. Природа упругой силы. Силы трения. Сухое трение. Трение покоя. Трение начала движения. Жидкое (вязкое) трение. Графики зависимости
модуля силы трения от скорости движения. Приближенные формулы зависимости вязкого трения от скорости.
Примеры применения законов Ньютона и силовых законов. Движение с
трением по горизонтальной поверхности. (225, 232) Движение с трением по
наклонной плоскости. (239, 242) Блок с двумя грузами. (268,274) Вращение
висящего на нити тела в горизонтальной плоскости. (327, 329) Движение тел
при наличии силы сопротивления, зависящей от скорости, установившаяся
скорость движения. (204)
Силы инерции в неинерциальных системах отсчета. Центробежная сила
инерции и сила инерции Кориолиса. Проявление этих сил на Земле (зависимость веса от географической широты, закон Бэра, движение океанических
течений и воздушных масс). (318, 319)
Изменение импульса. Средняя сила при ударе. Закон сохранения импульса.
Его связь с однородностью пространства. Применение закона сохранения
импульса к распадам и неупругим соударениям. (341, 345, 372, 376)
Выражение для работы силы (в случае постоянной и переменной силы).
Мощность силы (средняя и мгновенная). (414, 422, 440, 449) Работа и кинетическая энергия. (446, 447, 450) Связь кинетической энергии и импульса.
Консервативные и диссипативные силы. Потенциальная энергия консервативных сил. Закон сохранения в консервативных системах. Связь закона сохранения с однородностью времени. Изменение механической энергии в
диссипативных системах. (490, 491, 512, 528, 568, 591, 593, 602, 612) Потенциальная энергия упругой силы. (474, 481) Потенциальная энергия силы тяготения. (467) Потенциальная энергия земного тяготения – ее зависимость
от высоты над земной поверхностью (точная формула и приближенное выражение для малых высот). Вторая космическая скорость для планетарных
спутников. Потеря механической энергии при неупругих соударениях. применение законов сохранения импульса и кинетической энергии к прямому
центральном у абсолютно упругому удару. Анализ движения с помощью по-
тенциальных кривых. Устойчивое и неустойчивое равновесие. Области потенциальной ямы и потенциального барьера.
Механические колебания и волны.
Закон свободных гармонических колебаний. Амплитуда колебаний, круговая частота, фаза и начальная фаза. Скорость и ускорение при гармонических колебаниях. Кинетическая и потенциальная энергия колеблющейся точки. (1506, 1507, 1508)
Примеры гармонических колебаний. Малые колебания пружинного маятника. Уравнение колебаний (закон Ньютона) и его решение. Период и частота колебаний. (1539, 1542, 1543) Малые колебания математического маятника. Уравнение колебаний. Период и частота колебаний. (1524, 1525) Колебания физического маятника как частный случай вращательного движения
твердого тела вокруг неподвижной оси. Понятия момента силы и момента
инерции твердого тела. Основной закон динамики вращательного движения
твердого тела и его применение к малым колебаниям маятника. Период и
частота колебаний.
Затухающие колебания при наличии силы сопротивления, пропорциональной скорости. Уравнение колебаний (закон Ньютона) и его решение. Характеристики затухания. Частота затухающих колебаний. Вынужденные колебания. Амплитуда вынужденных колебаний как функция круговой частоты вынуждающей силы. Явление резонанса смещения при вынужденных колебаниях. Проявление резонанса в природе и технике.
Упругие (акустические) волны. Продольные и поперечные волны. Волновой фронт и луч. Уравнение бегущей волны. Длина волны. Связь разности
фаз в двух точках волнового луча с расстоянием между этими точками.
(1564, 1567, 1568, 1569) Звук как упругие волны. Скорость звука в газах,
жидкостях и твердых телах (порядок величины). Область звуковых волн,
воспринимаемых человеком. Ультразвук и его применение. Сейсмические
волны. Продольные и поперечные объемные волны. Поверхностные волны.
Скорость распространения упругих волн в горных породах и структурах
Земли (по порядку величины).
Молекулярная физика и термодинамика
Хаотическое движение частиц вещества. Виды хаотического движения.
Характер зависимости потенциальной энергии взаимодействия частиц вещества от расстояния между ними (притяжение и отталкивание). Агрегатные
состояния вещества. Использование метода потенциальных кривых для объяснения различных агрегатных состояний одного и того же вещества.
Модель идеального газа. Характеристики газового состояния – концентрация молекул, плотность (молярный объем), давление. Средняя квадратичная скорость хаотического движения частиц. (810, 816) Основное уравнение
молекулярно-кинетической теории идеального газа. Абсолютная температура
как мера средней кинетической энергии движения частиц. Различные виды
уравнения состояния идеального газа. Газовые процессы (изохорный, изобарный, изотермический) и их законы. (821, 822, 836, 858, 873, 875, 882)
Графики этих законов в координатах (P,V), (T,P), (T,V). Закон адиабатического процесса. Показатель адиабаты для газов с различными молекулами.
График адиабатического процесса в координатах (P,V). Способы осуществления адиабатического процесса. Адиабатические процессы в природе.
Основные понятия термодинамики. Внутренняя энергия. Внутренняя
энергия идеального газа. Изменение внутренней энергии идеального газа.
Теплота и выражения для ее вычисления в различных случаях. Теплоемкость
тела, удельная и молярная теплоемкость вещества. Удельная теплота фазового превращения. (894,908, 925) Работа в термодинамике. Графическое определение работы. Первое начало термодинамики. Циклические процессы.
КПД циклов. Цикл Карно и его КПД. Второе начало термодинамики. Энтропия как мера хаотичности.
Основные понятия и законы электромагнетизма
Электромагнитные взаимодействия и их значение. и магнитных сил. Основные положения, характеризующие электрические заряды: двузначность,
квантованность, макроскопическая уравновешенность, сохранение в изолированных системах.
Дальнодействие электрических и магнитных сил. Полевая трактовка электромагнитных взаимодействий. Общий силовой закон электромагнетизма для
точечного заряда. Силовые полевые характеристики – напряженность электрического поля и магнитная индукция.
Элементы электростатики. Потенциальный характер электростатического
поля. Энергетическая полевая характеристика – потенциал. Работа в электрическом поле по перемещению зарядов. (1133, 1135, 1138) Электрическое
поле точечного заряда (шара). Закон Кулона. Принцип суперпозиции. (1053,
1082, 1097) Характер поля диполя. Характер поля бесконечной плоскости.
Поле в плоском конденсаторе. Электроемкость конденсатора. Диэлектриче-
ская проницаемость диэлектриков. Емкость плоского конденсатора. Соединения конденсаторов.
Постоянный ток. Конвекционный ток и ток проводимости. Сила тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника. Соединения сопротивлений. Источники тока. Электродвижущая сила источника тока. Закон
Ома для полной цепи. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца. (1251,
1262, 1280, 1304, 1307, 1314, 1322, 1334, 1345, 1346)
Магнитное поле. Магнитное поле прямолинейного тока. Сила Ампера.
Магнитное взаимодействие прямолинейных параллельных проводов с током.
(1402, 1408) Магнитное поле витка с током и магнитное поле соленоида.
Магнитный момент рамки (витка) с током. Действие магнитного поля на виток с током. Ориентация рамки, ее вращение – принцип действия электромотора. (1414) Магнитные свойства атом а и элементарных частиц. Поведение рамки с током в неоднородном магнитном поле – втягивание в область
более сильного поля. Магнитные вещества (ферромагнетики). Электромагниты. Магнитное поле Земли и общие принципы его возникновения. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. (1425, 1431) Ускорители заряженных частиц (циклотрон, БАК). Результаты взаимодействия
потоков солнечной плазмы с магнитным полем Земли – радиационные пояса
и полярные сияния.
Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции ФарадеяЛенца). Движение проводящего стержня в магнитном поле прямолинейное и
вращательное. Вращение проводящей рамки в магнитном поле. Генератор
тока. Самоиндукция. Роль самоиндукции в цепях переменного тока. (1447,
1470, 1472, 1492)
Электромагнитное излучение
Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Возникновение и
распространение электромагнитных волн. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме и в веществе. Излучение электромагнитных
волн веществом. Шкала электромагнитных волн.
Основы специальной теории относительности, ее постулаты (А. Эйнштейн). Относительность интервалов времени. Уточнение законов механики.
Взаимосвязь массы и энергии.
Квантованность электромагнитного излучения. Энергия и импульс кванта
как функции длины волны и частоты. Квантовое объяснение излучения веществом (атомами и молекулами) электромагнитных волн (квантов). Происхождение линейчатых спектров излучения. (1677, 1678, 1679, 1680)
Строение вещества
Строение атома – ядро и электронная оболочка. Соотношение их размеров. Планетарная модель атома и ее нереальность. Волновые свойства материи (постулат де-Бройля). Соотношения неопределенностей (В. Гейзенберг).
Вероятностное поведение микрочастиц. Волновая квантовая механика.
ОЛбъяснение квантовой механикой периодической системы элементов. Достижения квантовой механики (квантовая химия, физика твердого тела и др.).
Состав атомного ядра. Протоны и нейтроны, их характеристики. Изотопы.
(1703, 1704, 1705, 1706, 1709) Энергия связи атомных ядер. Устойчивость
ядер. Неустойчивость ядер – радиоактивность. Естественная радиоактивность тяжелых ядер: альфа-распад и отрицательный бета-распад. Радиоактивные изотопы легких ядер. Положительный бета-распад. Меченые атомы.
К-захват. Энергетический эффект радиоактивных превращений. Радиоактивные превращения как одни из источников тепловой энергии Земли и наличия
на Земле благородных газов. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Активность радиоактивного элемента. Гамма-излучение. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом. Воздействие на человека.
Дозиметрия. (1714, 1717, 1718)
Ядерные превращения. Ядерные реакции при воздействии нейтронов. Реакция деления тяжелых ядер. Оценка выделяющейся энергии. Основы ядерной энергетики. Ядерные реакторы. Реакция синтеза легких ядер. Трудности
достижения необходимой температуры для начала реакции. Проблема создания термоядерного реактора. Реакция синтеза как источник энергии звезд.
Экологические проблемы использования ядерной энергии.
Элементарные частицы. Адроны и лептоны. Частицы и античастицы.
Кварковая модель адронов. «Стандартная модель» элементарных частиц.
Лазеры и их применение. Искусственные полупроводниковые вещества и
их использование. Применение физических установок в медицине. Современная модель Вселенной.