2. Молекулярная физика - Ивановский государственный

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
декан физического факультета
_________________проф.Сметанин Е.В.
"____" ________________ 2003 г.
РАБОЧАЯ
ПРОГРАММА
Молекулярная физика
Специальность
010400 – ФИЗИКА,
направление 510400-ФИЗИКА
Факультет физический
Курс 1 Семестр 2
Кафедра общей физики
Общая трудоемкость дисциплины: 293 час.
В том числе:
Лекции 46 час.
Практические занятия 80 час.
Лабораторные занятия 72 час.
Самостоятельная работа 95 час.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
"_____"_____________2003г.
Заведующий кафедрой общей физики
доц. Л.И. Минеев
1. Пояснительная записка
Молекулярная физика в классических университетах традиционно
читается после механики, законы которой сформулированы в духе
классического детерминизма. В связи с этим представляется
необходимым, прежде всего, дать понятие больших физических систем,
показать вероятностный характер их поведения и отметить, что
окружающие нас физические системы, в подавляющем большинстве,
представляют собой большие физические системы. Особенности
поведения и сложность в описании состояния таких систем приводят к
необходимости использования различных методов: молекулярной физики,
статистической физики, термодинамики.
Вероятностный подход к описанию состояния больших физических
систем требует включения в курс элементарных математических
представлений о вероятности, различных способах определения среднего
значения величин, дисперсии, флуктуациях.
В рассматриваемом курсе вводятся две важные для физики и трудно
воспринимаемые величины температура и энтропия. Необходимо
подчеркнуть статистический характер этих величин. Соответственно
должны быть сформулированы и законы термодинамики. При
формулировке законов термодинамики должно обратить внимание на
понятия работы, количества тепла, внутренней энергии, которым в
школьных учебниках не уделяется достаточного внимания.
При
математической записи законов термодинамики желательно не
ограничиваться только закрытыми системами.
Курс молекулярной физики призван показать, что реальные физические
явления и их описание с помощью моделей должны опираться на
статистические подходы. В этом плане молекулярная физика является как
бы основой для восприятия последующих разделов физики.
С целью стимулировать самостоятельную работу студентов
на
физическом
факультете
ИвГУ
разработаны
так
называемые
миникомплексы. Они включают программу-минимум (необходимые
минимальные знания по молекулярной физике, чтобы получить
удовлетворительную оценку), рабочую программу, сто задач для
самостоятельного решения в течение семестра и график контроля
самостоятельной работы студентов.
Неотъемлемой частью курса «Молекулярная физика» является
физический практикум. Он позволяет экспериментально изучать основные
3
закономерности, оценить порядки изучаемых величин, погрешности и
достоверность полученных результатов.
II. Содержание учебного материала
2.1. Разделы курса
Раздел 1. Введение
Раздел 2. Элементы теории вероятности
Раздел 3. Элементы статистической теории идеальных газов
Раздел 4. Явления переноса в газах
Раздел 5. Элементы термодинамики
Раздел 6. Реальные газы
Раздел 7. Жидкости
Раздел 8. Жидкие растворы
Раздел 9. Твёрдые тела
Раздел 10. Фазовые переходы
2.2. Краткое содержание разделов
Раздел 1. Введение. Физическая система. Состояние системы. Большие
физические системы. Предмет молекулярной физики. Динамические и
статистические физические системы. Необходимость статистического
описания больших физических систем. Характерные особенности больших
физических систем.
Раздел 2. Элементы теории вероятности. Понятие вероятности.
Вероятность и физические законы. Свойства вероятностей. Сложение и
умножение вероятностей. Средние значения случайных величин. Дисперсия.
Флуктуации. Распределение случайных величин. Функция распределения.
Раздел 3. Элементы статистической теории идеальных газов.
Статистические ансамбли. Термодинамическая вероятность. Эргодическая
гипотеза. Вычисление макросостояний по микросостояниям. Задача об
определении числа молекул, находящихся в заданной части объёма
(биноминальное распределение).
Модель идеального газа. Вычисление давления идеального газа (основное
уравнение кинетической теории газов). Температура и её свойства.
Термометры.
Эмпирические
шкалы
температур.
Абсолютная
термодинамическая шкала температур. Международная практическая шкала
температур. Нуль Кельвина. Об отрицательной термодинамической
температуре. Уравнение Клапейрона – Менделеева. Законы идеального газа.
Броуновское движение. Теория Эйнштейна – Смолуховского. Опыты
Перрена по определению числа Авогадро.
Распределение молекул по скоростям – распределение Максвелла.
Экспериментальная проверка. Характерные скорости распределения.
4
Распределение идеального газа в поле потенциальных сил – распределение
Больцмана. Барометрическая формула. Экспериментальная проверка
Распределение Максвелла – Больцмана. Атмосфера планет.
Раздел 4. Явления переноса в газах. Неравновесные состояния.
Феноменологическое
описание
явлений
переноса:
диффузии,
теплопроводности, вязкости. Стационарные и нестационарные процессы
переноса. Молекулярно-кинетическая трактовка явлений переноса. Длина
свободного пробега молекул. Эффективное поперечное сечение. Вычисление
и измерение коэффициентов диффузии, теплопроводности, вязкости.
Явления переноса в разреженных газах. Методы получения и измерения
вакуума. Отличительные особенности явлений переноса в твердых телах и
жидкостях.
Раздел
5.
Элементы
термодинамики.
Метод
термодинамики.
Термодинамическое равновесие. Квазистатические и нестатические
процессы. Внутренняя энергия. Работа. Количество теплоты. Первое начало
термодинамики. Применение первого начала термодинамики к рассмотрению
изопроцессов в идеальном газе. Адиабатический и политропический
процессы. Теплоёмкость газов. Недостатки классической теории
теплоёмкости. Понятие о квантовой теории теплоёмкости газов.
Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно и его кпд. Формулировки
второго начала термодинамики. Теоремы Карно. Неравенство Клаузиуса.
Энтропия как функция состояния. Вычисление изменения энтропии в
различных процессах. Закон возрастания энтропии. Энтропия и вероятность.
Формула
Больцмана.
Статистический
характер
второго
начала
термодинамики. Границы применимости второго начала термодинамики.
Раздел 6. Реальные газы. Молекулярные силы и отклонение поведения газов
от идеальных. Уравнение Ван – дер – Вальса. Физический смысл постоянных
в уравнении Ван – дер – Вальса. Критическое состояние. Закон
соответственных состояний. Внутренняя энергия реального газа. Эффект
Джоуля – Томпсона. Сжижение газов. Современные методы получения
низких температур. Свойства веществ при температуре близкой к 0 0 К.
Раздел 7. Жидкости. Особенности жидкого состояния. Молекулярная
структура жидкостей. Функция радиального распределения. Ближний и
дальний порядок. Молекулярное давление. Поверхностное натяжение.
Условия равновесия на границе сред. Смачивание. Давление под
искривлённой поверхностью. Формула Лапласа. Капиллярные явления.
Испарение жидкостей. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса. Давление
насыщенных
паров
над
искривлённой
поверхностью.
Кипение.
Метастабильные состояния жидкости. Пузырьковые камеры.
5
Раздел 8. Жидкие растворы. Жидкие растворы. Давление насыщенных
паров над раствором (закон Рауля). Температура кипения растворов.
Осмотическое давление.
Раздел 9. Твёрдые тела. Кристаллические и аморфные состояния.
Кристаллы.
Элементы
симметрии
кристаллов.
Решётки
Браве.
Классификация кристаллов по их симметрии и роду частиц, из которых
построен кристалл. Реальные кристаллы. Дефекты в кристаллах. Дислокации
и их влияние на прочность.
Раздел 10. Фазовые переходы. Фазовые переходы первого и второго рода.
Испарение твёрдых тел. Диаграмма состояния. Тройная точка. Понятие о
жидких кристаллах и их применении.
III. Тематическое планирование
№
Наименование разделов
п/п
1
Введение
2 Элементы теории
вероятности
3
Элементы статистической
теории идеальных газов
4 Явления переноса в газах
5 Элементы термодинамики
6 Реальные газы
7 Жидкости
8 Жидкие растворы
9 Твёрдые тела
10 Фазовые переходы
Всего
часов
4
14
Лаб.
Самост.
работа
2
6
Лекц.
Сем.
2
2
6
69
12
30
8
19
49
55
22
40
4
20
16
293
6
8
4
6
2
2
2
46
10
18
6
6
16
12
2
2
80
12
8
72
17
17
12
12
2
4
4
95
16
IV. Формы промежуточного и итогового контроля
4.1. Контрольные работы – 1
4.2. Коллоквиум
- 1
4.3. Проверка задач для самостоятельного решения в письменной форме и
проверка понимания решения - в устной форме (4 блока по 25 задач в каждом
блоке)
4.4. Проверка и обсуждение отчётов по лабораторному практикуму –
индивидуально по каждой работе
4.5. Экзамен в устной форме
6
V. Учебно-методическое обеспечение
5.1. Рекомендуемая литература (основная)
А. К. Кикоин, И.К. Кикоин. Молекулярная физика. М.; Наука, 1976.
Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная
физика. М.; Наука, 1975, 1990.
А. Н. Матвеев. Молекулярная физика. М.; Высшая школа, 1987.
В. Л. Гинзбург, Л. М. Левин, Д. В. Сивухин, И. А. Яковлев. Сборник задач
по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика. (Под
редакцией Д. В. Сивухина). М.; Наука. 1977, 1988.
5.2.Рекомендуемая литература (дополнительная)
Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс Феймановские лекции по физике. вып. 4.
Кинетика. Теплота. Звук.М.; Мир, 1977.
Л. Д. Ландау, А. И. Ахиезер, Е. М. Лившиц. Курс общей физики. Механика и
молекулярная физика. М.; Наука, 1965, 1969.
Ф. Рейф. Статистическая физика. Берклеевский курс физики. Т. 5. М,; Наука,
1972, 1986.
Составитель программы
М. И. Давидзон
7