МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ профессионального образования
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» Факультет неорганической химии и технологии Кафедра физики Утверждаю: проректор по УР _______________ В.В. Рыбкин « » 2011 г. Рабочая учебная программа дисциплины ФИЗИКА (наименование дисциплины по учебному плану) Направление подготовки 210100 - Электроника и наноэлектроника Квалификация (степень) выпускника Бакалавр Профиль подготовки по направлению Микроэлектроника и твердотельная электроника Форма обучения очная Иваново, 2011 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Основной целью современного инженерного образования является формирование на базе компетентностного подхода творческой личности будущего специалиста, обладающего знаниями, умениями и навыками по профессиональному профилю подготовки, способного к саморазвитию, самообразованию и инновационной деятельности. Физика является фундаментальной дисциплиной, закладывающей основы мироздания и миропонимания, знание которых позволяют воздействовать на окружающий нас мир и целенаправленно управлять им во имя и на благо человечества. Учебная дисциплина «Физика» является одной из основных дисциплин естественнонаучного цикла подготовки студентов по направлению 240100 - Химическая технология. Дисциплина реализуется на факультете неорганической химии и технологии кафедрой физики. Содержание дисциплины определяется ГОС и охватывает круг вопросов и задач, связанных непосредственно как с формированием общих естественнонаучных знаний, так и профессиональных навыков и умений выпускников, включающих производственнотехнологические, организационно-управленческие, научно-исследовательские, проектные и сервисно-эксплуатационные виды деятельности будущего специалиста. Задачи курса: изучить основные физические явления и основные физические законы, которыми описываются эти явления заложить фундамент основных понятий и теорий классической и современной квантовой физики научить студентов логически рассуждать и активно, творчески использовать теоретические знания для решения конкретных практических задач освоить физический инструментарий и овладеть навыками и приемами измерения физических величин подготовить студентов к активному использованию приобретенных знаний и умений как при изучении смежных и других дисциплин подготовки специалиста, так и в своей дальнейшей профессиональной деятельности продемонстрировать студентам значимость физики для научно-технического прогресса и привить им отношение к физике, как к части общечеловеческой культуры сформировать у студентов «физическое» научное мировоззрение, как основы знаний и интерпретации всех явлений и процессов, протекающих в природе, включая и сферу технической деятельности человека воспитать культурно-интеллектуальную личность на базе развития таких качеств, как: ясность и точность изложения идей, логичность и критичность мышления, интуиция, способность находить множество различных вариантов решения при одних и тех же условиях и быстро принимать самостоятельное решение, элементы алгоритмической культуры, готовность и способность к преодолению трудностей и т.д., необходимых человеку для полноценной жизни в современном обществе. 2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП БАКАЛАВРИАТА Дисциплина относится к естественнонаучному циклу и является одной из базовых дисциплин профиля. Требования к входным знаниям, умениям и компетенциям студента, необходимым для изучениядисциплины: студент должен знать физику в объеме курса средней школы и владеть обязательным минимумом содержания основных образовательных программ по математике (арифметике, алгебре, геометрии, тригонометрии, элементам логики и комбинаторики), информатике и химии. 2 Знать/понимать: основные законы, определения и понятия физики; основные физические явления, их суть и интерпретация; алгоритмы решения простейших физических задач. Уметь: интерпретировать наблюдаемые явления природы, на основе известных физических теорий; применять основные законы физики для решения конкретных задач при выполнении расчетных и экспериментальных заданий. Владеть: методиками решения типовых физических задач; методиками проведения простейших физических измерений. Освоение данной дисциплины, как предшествующей, необходимо при изучении следующих дисциплин: Физическая и коллоидная химия Теоретические основы электротехники Квантовая механика и статфизика Физические основы электроники Вакуумно-плазменные процессы и технологии 3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина направлена на формирование следующих компетенций выпускника (согласно ФГОС): Наименование компетенции способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования Способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных способностью представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики; способностью выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физикоматематический аппарат; - способностью использовать знания основных физических теорий для решения возникающих физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы компетентности конкретного направления; Код компетенции ОК-10 ПК-5 ПК-1 ПК-2 ПК-34 В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: основные этапы развития физики как науки, создаваемой на основе обобщения наблюдений природных явлений; основные определения, понятия и законы физики; как по мере накопления опытных данных расширялись и углублялись наши познания материального мира, начиная от интерпретации макроскопических явлений природы до 3 проникновения в мир атомов и молекул; от фундамента классической физики до теории относительности и квантовой механики; как физические законы и уравнения их описывающие используются для решения конкретных практических задач; вероятностный характер некоторых закономерностей окружающего мира; как потребности практики привели к открытию физических законов; как физические теории позволяют не только интерпретировать наблюдающиеся явления, но и a priori предсказывать новые открытия. Уметь: объяснять природные явления и технологические процессы с точки зрения физических законов; применять физические законы для решения практических и теоретических задач; организовывать физический эксперимент, проводить измерения физических величин, анализировать экспериментальные данные и определять погрешности измерений; применять математические методы для решения практических задач с использованием персональных компьютеров и программных средств общего назначения. Владеть: информацией об области применения конкретных физических законов; алгоритмами решения физических прикладных задач; методиками обработки и оценки погрешностей экспериментальных данных. 4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ Общая трудоемкость дисциплины составляет: - 14 зачетных единиц / 504 час. Вид учебной работы Аудиторные занятия (всего) В том числе: Лекции Практические занятия (ПЗ) Семинары (С) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа (всего) В том числе: Оформление отчетов по лабораторным работам Подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам Подготовка к экзамену Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) Общая трудоемкость час зач. ед. Всего часов 221 1 68 Семестры 2 85 3 68 85 51 26 17 34 17 25 17 85 283 25 94 34 94 26 95 36 175 72 504 12 52 24 экз. 162 12 71 24 экз. 179 12 52 24 экз. 163 14 5 5 4 5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 5.1. Содержание модулей (разделов) дисциплины № п/п 1 Модуль (раздел) ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ Содержание раздела Предмет и содержание курса физики. Место физики среди других наук. Материя и движение. Две формы существования материи - вещество и поле. Простран4 ство и время. Классическая и квантовая физика. Границы применимости классической физики. Связь физики с философией и другими науками. Основы кинематики. Основные понятия механики. Материальная точка. Абсолютно твердое тело. Системы отсчета. Классификация простейших видов механического движения. Основные характеристики движения. Траектория. Путь. Перемещение. Скорость. Векторный, координатный и естественный способы описания скорости. Ускорение. Кинематика вращательного движения. Связь между линейными и угловыми величинами. Динамика. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Масса. Сила. Импульс. Второй закон Ньютона. Принцип суперпозиции. Третий закон Ньютона. Виды сил в механике. Закон всемирного тяготения. Практическое применение законов Ньютона. Задачи механики. Законы сохранения и свойства симметрии пространства - времени. Материалистическая трактовка законов сохранения. Закон сохранения импульса. Центр масс системы. Уравнение движения центра масс. Ц - система. Закон сохранения энергии. Работа. Мощность. Консервативные силы. Потенциальная энергия. Поле центральных сил. Потенциальная энергия частицы в силовом поле. Потенциальная энергия и сила поля. Кинетическая энергия. Полная механическая энергия частицы. Потенциальная энергия системы частиц. Собственная потенциальная энергия системы. Внешняя потенциальная энергия системы. Полная механическая энергия системы. Диссипативные силы. Закон сохранения механической энергии. Столкновения двух частиц. Абсолютно упругое и абсолютно неупругое столкновение. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции тела относительно оси вращения. Физическое толкование момента инерции тела. Вычисление моментов инерции однородных тел правильной геометрической формы. Момент силы относительно точки и относительно оси вращения. Момент импульса относительно точки и относительно оси вращения. Уравнение моментов. Основной закон динамики для вращательного движения. Кинетическая энергия и работа при вращении твердого тела вокруг неподвижной оси. Работа внешних сил при вращении твердого тела вокруг неподвижной оси. Закон сохранения момента импульса применительно к твердому телу. Условия равновесия твердого тела. Теорема Штейнера о параллельных осях. Плоское движение твердого тела. Кинетическая энергия при плоском движении твердого тела. Элементы теории относительности. Трудности дорелятивистской механики. Механика специальной теории относительности как механика больших скоростей. Опытные основания теории относительности. Два по5 2 КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ стулата специальной теории относительности. Соотношение между событиями, замедление времени, сокращение длины. Преобразования координат Лоренца. Относительность понятия одновременности. Интервал. Сложения скоростей в теории относительности. Релятивистская динамика. Релятивистский импульс. Основное уравнение релятивистской динамики. Взаимосвязь массы и энергии, импульса и энергии. Механические колебания и волны. Общий признак колебательного движения. Гармонические колебания. Сила, вызывающая гармонические колебания. Гармонический осциллятор. Дифференциальное и интегральное уравнения гармонических колебаний. Амплитуда, период, частота, фаза колебаний. Связь циклической частоты с массой колеблющегося тела. График зависимости смещения от времени. Закон изменения скорости, ускорения и силы от времени, соответствующие графики. Энергия гармонических колебаний (кинетическая, потенциальная и полная), соответствующие графики. Двухатомная молекула как линейный гармонический осциллятор. Потенциальная кривая двухатомной молекулы. Ангармонизм колебаний. Диссоциация. Физический и математический маятники. Сложение гармонических колебаний: а) одинаково направленных с одинаковой частотой, б) одинаково направленных с близкими частотами, в) взаимно-перпендикулярных с одинаковыми частотами. Фигуры Лиссажу. Затухающие колебания. Силы, действующие при затухающих колебаниях. Дифференциальное и интегральное уравнения затухающих гармонических колебаний. Зависимость амплитуды колебаний от времени, соответствующий график. График зависимости смещения от времени при затухающих колебаниях. Коэффициент затухания. Логарифмический декремент затухания колебаний. Добротность колебательной системы. Вынужденные колебания. Силы, действующие при вынужденных колебаниях. Дифференциальное и интегральное уравнения вынужденных гармонических колебаний. Амплитуда и частота вынужденных колебаний. Явление механического резонанса. Резонансная амплитуда и частота, соответствующие графики. Примеры резонанса. Механизм образования и распространения волн в упругой среде. Волны поперечные и продольные. Фронт волны и волновые поверхности. Длина волны. Уравнение и график бегущей волны. Уравнение сферических и цилиндрических волн. Волновое уравнение. Поток энергии. Вектор Умова. Когерентные источники волн. Интерфеpенция волн. Условия максимумов и минимумов при интерференции. Уравнение и график стоячей волны. Координаты узлов и пучностей. Волны в замкнутом объеме (колебания струны), собственные частоты. Понятие о фазовой и групповой скорости и соотношение между ними. 6 3 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ Физические основы термодинамики и молекулярной физики. Два подхода к изучению макросистем: молекулярно-кинетический (статический) и термодинамический. Основные понятия и основные параметры макросистем: объем, температура, давление. Состояние системы. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева - Клапейрона). Внутренняя энергия идеального газа. Два способа изменения внутренней энергии - путем совершения механической работы и путем теплообмена (теплопередачи). Количество теплоты, теплоемкость. Связь удельной и молярной теплоемкостей. Зависимость теплоемкости от характера процесса. Формула Майера (связь Сv и Cp). Первое начало термодинамики. Работа объемного расширения. Работа, совершаемая газом в различных изопроцессах. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам идеального газа. Вывод уравнения Пуассона (уравнение адиабаты). Политропный процесс. Уравнение политропы. Обратимые и необратимые процессы. Содержание второго начала термодинамики. Статистический характер второго начала. Тpетье начало термодинамики. Термодинамические потенциалы. Элементы статистичесой физики. Задачи статистической физики. Фазовое пространство. Статистический ансамбль. Некоторые элементы теории вероятностей. Плотность вероятности в фазовом пространстве (функция распределения). Средние значения физических величин. Выражение средних физических величин через плотность вероятности. Микроканоническое и каноническое распределения Гиббса. Распределение Гиббса для случая квантовой статистики. Сумма по состояниям. Применение распределения Гиббса к идеальному газу. Распределение Максвелла-Больцмана как частный случай распределения Гиббса для идеального газа. Понятие распределения Больцмана для квантовых систем (статистики Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна). Распределение Максвелла молекул идеального газа по скоростям и по энергиям. Вычисление средней арифметической, средней квадратичной и наиболее вероятной скоростей. Распределение Больцмана молекул во внешнем потенциальном поле сил. Барометрическая формула Лапласа. Использование распределения Гиббса для определения макропараметров системы: среднего давления и средней энергии. Основное уравнение кинетической теории идеальных газов. Теорема Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Вычисление внутренней энергии идеального газа через число степеней свободы его молекул. Классическая теория теплоемкости идеального газа и ее недостатки. Понятие о квантовой теории теплоемкости Эйнштейна. Средняя длина свободного пробега и среднее число столкновений молекул идеального газа в единицу времени. Эффективное сечение столкновений. Ослабление 7 4 ЖИДКОЕ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА 5 ЭЛЕКТРОСТАТИКА пучка молекул в газе. Явления переноса. Формальные уравнения, описывающие явления переноса (диффузия, внутреннее трение, теплопроводность). Связь диффузии с подвижностью частиц. Термическая диффузия в газах. Вычисление коэффициентов диффузии, внутреннего трения, теплопроводности для идеального газа. Связь между коэффициентами. Реальный газ. Молекулярные силы и отступления от законов идеального газа. Эффект Джоуля - Томсона. Уравнение состояния реального газа (уравнение Вандер –Ваальса). Теоpетическая изотерма Ван- дер Ваальса и экспериментальная изотерма реального газа. Критическое состояние вещества. Связь критических параметров с постоянными Ван- дер -Ваальса. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Методы получения низких температур. Свойства жидкого гелия и сверхтекучесть. Жидкое состояние. Молекулярное строение и основные свойства жидкости. Уравнение состояния жидкости. Краевые углы. Смачивание и несмачивание. Нормальное молекулярное давление поверхностного слоя. Поверхностное натяжение в жидкости. Методы экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения. Добавочное давление в случае неплоской поверхности жидкости. Формула Лапласа. Капиллярные явления. Кристаллические и аморфные тела. Типы кристаллических решеток. Учение о симметрии. Поворотные оси, плоскости симметрии, центр инверсии, зеркальноповоротные оси. Семь сингоний, тридцать два кристаллических класса. Симметрия пространственной решетки. Решетка Браве. Работы Федорова. Дефекты кристаллов. Классическая теория теплоемкости одноатомного твердого тела. Закон Дюлонга и Пти. Недостатки классической теории теплоемкости. Зависимость теплоемкости от температуры, экспериментальный график. Понятие о квантовой теории теплоемкости твердого тела. Фазовые переходы первого рода. Насыщенный пар и его свойства. Теплота испарения. Теплоты плавления и возгонки. Зависимость температуры плавления от внешнего давления. Диаграмма состояния. Фазовые переходы второго рода. Электрический заряд. Закон Кулона. Линейная, поверхностная и объемная плотности зарядов. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Вектор напряженности электрического поля. Силовые линии поля. Вектор индукции электрического поля. Поток вектора напряженности электрического поля. Принцип суперпозиции полей. Теорема Гаусса в электростатике. Применение теоремы для расчета полей заряженного шара, проволоки, плоскости, двух плоскостей. Понятие дивергенции. Потенциальный характер электрического поля. Теорема Стокса. Потенциал электрического поля. Разность потенциалов. Потенциал поля точечного заря8 6 ПОСТОЯННЫЙ ТОК да (шара). Потенциал поля, созданного системой зарядов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и потенциалом. Градиент потенциала. Электрический диполь. Напряженность и потенциал поля электрического диполя. Поведение диполя в однородном и неоднородном электрическом поле. Энергия диполя в электрическом поле. Дипольный момент системы зарядов. Мультиполя. Проводники в электрическом поле. Распределение зарядов в проводниках. Напряженность и потенциал поля внутри проводника при равновесии зарядов. Поле вблизи поверхности заряженного проводника. Теорема Кулона (связь между индукцией поля и поверхностной плотностью заряда). Электростатическая защита. Электроемкость проводника, факторы, от которых она зависит. Вычисление емкости шара. Конденсаторы. Емкость конденсатора. Вычисление емкости плоского и сферического конденсаторов. Соединение конденсаторов в батареи. Энергия электрического поля. Плотность энергии электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле. Полярные и неполярные молекулы. Сущность явления поляризации диэлектриков. Вектор поляризованности, его связь с напряженностью внешнего электрического поля. Диэлектрическая восприимчивость диэлектрика. Связь между диэлектрической восприимчивостью и поляризуемостью. Связь между вектором поляризованности и поверхностной плотностью связанных зарядов. Соотношение между основными векторами электрического поля в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость. Поляризуемость и структура молекул. Сегнетоэлектрики. Пьезоэффект. Электрический ток. Условия поддержания тока в цепи. Сила и плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая сила источника тока. Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление проводника. Явление сверхпроводимости. Последовательное и параллельное соединение проводников. Закон Ома в дифференциальной форме. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Закон Ома для полной цепи. Обоснование закона Ома методом классической электронной теории. Правила Кирхгофа для расчета разветвленных цепей. Электрический ток в электролитах и газах. Электрический ток в жидкостях. Процесс образования ионов в электролитах. Электролитическая диссоциация. Подвижность ионов. Закон Ома для электролитов. Явление электролиза. Законы Фарадея для электролиза. Техническое применение электролиза. Электрический ток в газах. Ионизация и рекомбинация ионов. Несамостоятельная и самостоятельная проводимость газов. Область применения закона Ома. Тлеющий, дуговой и коронный разряды. Газоразрядная плазма. Объяснение свойств проводимости твердых тел с точки 9 7 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 8 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ 9 ОПТИКА зрения зонной теории. Расщепление энергетических уровней валентных электронов и возникновение энергетических зон при образовании кристаллической решетки. Зоны в металлах, диэлектриках и полупроводниках. Механизм проводимости. Собственная и примесная проводимость. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры. Свойства p-n перехода. Полупроводниковые диоды и триоды. Магнитное поле как основное свойство тока. Вектор магнитной индукции. Силовые линии магнитного поля. Вектор напряженности магнитного поля. Закон БиоСаваpа-Лапласа. Вычисление индукции (напряженности) магнитного поля бесконечно длинного прямого проводника с током и в центре кругового тока. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Примеры практического применения силы Лоренца. Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера. Взаимодействие двух параллельных токов. Действие магнитного поля на контур с током. Магнитный момент контура с током. Поток вектора магнитной индукции. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля. Закон полного тока. Ротор вектора напряженности магнитного поля. Магнитное поле соленоида и тороида. Магнитное поле тороида с малым воздушным зазором. Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Правило Ленца. ЭДС индукции. ЭДС индукции при движении прямого проводника в магнитном поле. Явление самоиндукции. Индуктивность. Вычисление индуктивности соленоида. Экстратоки замыкания и размыкания. Взаимная индукция. Вихревые токи. Энергия магнитного поля. Плотность энергии. Классификация веществ по магнитным свойствам. Природа диа- паpа -и ферромагнетизма. Магнитное поле в веществе. Вектор намагничивания. Связь между основными векторами, характеризующими магнитное поле в веществе. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость. Кривые намагничивания. Магнитный гистерезис. Ферриты. Электромагнитная теория Максвелла как обобщение и развитие теории Фарадея. Две гипотезы и два основных уравнения Максвелла. Ток смещения. Опыты Эйхенвальда. Уравнения Максвелла. Уравнение и график электромагнитной волны. Работы Герца и Попова. Формула Томсона. Излучение колеблющегося диполя. Молекулы и атомы как излучатели. История развития представлений о природе света. Волновая и корпускулярная теории света. Электромагнитная природа света. Шкала электромагнитных волн. Закон прямолинейного распространения света в однородной среде. Законы отражения света. Законы преломления света. Теорема Ферма. Геометрическая и оптическая разность хода. Абсолютный и относительный пока10 затели преломления среды. Связь между относительным и абсолютными показателями преломления граничащих сред. Явление полного внутреннего отражения. Предельный угол полного внутреннего отражения. Призмы полного внутреннего отражения. Ход лучей в трехгранной призме, плоскопараллельной пластинке, линзах. Сущность дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсия. Типы спектров и их характеристики. Устройство спектрального аппарата. Спектральный анализ. Поглощение света веществом. Закон БугеpаЛамбеpта в дифференциальной и интегральной формах. Коэффициент поглощения. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны света и химической природы вещества. Зависимость коэффициента поглощения света в растворе от концентрации раствора. Закон Бера. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Цвет тел (прозрачных и непрозрачных).Классическое рассеяние света. Закон Релея. Интерференция света. Методы наблюдения интерференции. Оптическая разность хода. Оптическая длина пути. Условия максимумов и минимумов при интерференции. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Интерференция света в тонких пленках. Просветленная оптика. Интерферометры. Дифракция и условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция от узкой щели. Дифракционная решетка. Формула главных максимумов дифракционной решетки. Спектральные аппараты. Дисперсия и разрешающая способность решетки. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Бpегга. Исследование структуры кристаллов. Естественный свет и различные виды поляризованного света. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Бpюстеpа. Двойное лучепреломление. Положительные и отрицательные кристаллы. Объяснение двойного лучепреломления на основе анизотропии оптических свойств кристаллов. Построение волновых поверхностей для обыкновенных и необыкновенных лучей. Поляризационные устройства (призма Николя, призма Корну, поляроиды). Прохождение света через поляризатор и анализатор. Закон Малюса. Вращение плоскости колебаний оптически активными веществами, использование явления в химии. Поляриметры. Искусственное вращение плоскости колебаний (эффекты Керра, и Фарадея). Тепловое излучение среди других видов излучения. Лучеиспускательная и поглощательная способности тел. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Система изотерм. "Ультрафиолетовая" катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка для излучательной способности абсолютно черного тела. Закон СтефанаБольцмана. Закон смещения Вина. Излучение нечерных тел. Серое тело. Формула Кирхгофа - Планка. Исполь11 10 ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМОВ 11 ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ 12 ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ зование законов излучения для определения температуры нагретых тел. Фотоэлектрический эффект и способы его наблюдения. Опыты Герца и Столетова. Основные законы фотоэффекта. Квантовая теория явления. Фотоны. Уравнение Эйнштейна и объяснение законов фотоэффекта. Внешний и внутренний фотоэффект. Фотоэлементы и их применение. Эффект Комптона. Давление света. Опыты Лебедева. Объяснение явления с точки зрения волновой и квантовой теории света. Масса и импульс фотона. История развития представлений о строении атома. Опыт по рассеянию - частиц. Модель атома по Резерфорду. Несостоятельность классической теории строения атома. Постулаты Бора и теория атома водорода по Бору. Недостатки теории Бора. Возникновение квантовой механики. Опытные основания квантовой механики. Опыты Франка и Герца. Двойственная природа света. Гипотеза деБройля о двойственной природе микрочастиц. Волны де-Бройля. Опыты Девиссона и Джермера. Выводы из опытов. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Обоснование стационарного уравнения Шредингера для одной частицы с помощью гипотезы де-Бройля. Физический смысл волновой функции. Уравнение Шредингера в операторной форме. Применение уравнения Шредингера к частице в потенциальном ящике и к линейному гармоническому осциллятору. Уровни энергии и волновые функции. Понятие об операторах. Изображение физических величин операторами. Собственные функции и собственные значения операторов. Основные постулаты квантовой механики. Квантование момента импульса электрона и его проекции. Спин электрона. Опыты Штерна и Герлаха. Квантование спина и его проекции. Атом водорода с точки зрения квантовой механики. Уравнение Шредингера для водородоподобного атома. Энергетические уровни и волновые функции. Квантовые числа электрона в атоме. Распределение электронной плотности. Спектр атома водорода. Правило отбора.. Индуцированное излучение. Лазеры. Магнитный момент атома. Квантование магнитного момента. Связь магнитного момента и момента импульса. Магнетон Бора. Атом в магнитном поле. Эффект Зеемана. Понятие о парамагнитном резонансе. Применение ЭПР и ЯМР в химии. Основные характеристики атомного ядра. Масса и энергия связи ядра. Ядерные силы. Радиоактивность. Свойства -, -, - излучений. Правила смещения при - и - распадах. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Ядерные реакции. Реакция деления ядер урана. Цепная реакция. Устройство атомной бомбы. Устройство атомного реактора. Схема атомной электростанции. Реакция синтеза легких ядер. Водородноуглеродный цикл. Энергия солнца и звезд. Проблемы 12 управляемой ядерной реакции. Устройство водородной бомбы. Элементарные частицы и их классификация. Взаимопревращаемость элементарных частиц в современной физике. Четыре типа взаимодействия. Проблема элементарных частиц в современной физике. 5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 Наименование обес- № модуля (раздела) данной дисциплины, необходимый для печиваемых (после- изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин дующих) дисциплин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Квантовая механика и + + + + + + + + + статфизика Метрология, стандар+ + + + + тизация и технические измерения Физика конденсиро+ + + + + + + + ванного состояния Органическая химия + + + Физические основы + + + + + + электроники Теоретические осно+ + + вы электротехники Аналитическая химия + + и ФХМА Физическая и колло+ + + + + + + + + идная химия 5.3. Модули (разделы) дисциплин и виды занятий № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Наименование модуля (раздела) дисциплины Лекц. Физические основы механики Колебания и волны Основы молекулярной физики и термодинамики Жидкое и кристаллическое состояние вещества Электростатика Постоянный ток Магнитное поле Электромагнитная индукция Оптика Элементы физики атомов Элементы квантовой механики Элементы физики ядра и элементарных частиц Всего часов 11 6 10 13 Количество часов Практ. Лаб. СРС зан. зан. 5 10 35 4 8 20 5 8 35 Всего 61 38 58 2 2 3 10 17 10 4 8 4 14 6 6 4 5 4 5 4 8 2 5 2 12 4 10 8 12 4 3 3 35 20 35 25 35 8 15 10 62 32 58 41 69 20 29 19 85 51 85 283 504 6. Лабораторный практикум Модуль 1. Трудоемкость 14 час. Выполнение лабораторных работ: - экспериментальная проверка основного закона динамики для вращательного тела; - определение момента инерции системы тел с помощью маятника Обербека; - измерение момента инерции с помощью маятника Максвелла; - измерение скорости полета пули с помощью крутильного баллистического маятника; - измерительные приборы. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 2. Трудоемкость 8 час. Выполнение лабораторных работ: - определение момента инерции физического маятника; - определение логарифмического декремента затухания маятника; - определение скорости звука методом стоячих волн. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 3. Трудоемкость 12 час. Выполнение лабораторных работ: - определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха; - определение отношения теплоемкостей Cp/CV методом Клемона-Дезорма; - определение приращения энтропии при нагревании и плавлении твердого тела. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 4. Трудоемкость 4 час. Выполнение лабораторных работ: - определение коэффициента динамической вязкости методом Стокса; - определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца; - определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом поднятия в капилляре. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 5. Трудоемкость 12 час. Выполнение лабораторных работ: - исследование электростатического поля; - измерение емкости конденсаторов. Модуль 6. Трудоемкость 4 час. Выполнение лабораторных работ: - определение ЭДС источника постоянного тока методом компенсации; - определение удельного сопротивления раствора электролита; - изучение электрического сопротивления металлов; - изучение электропроводности полупроводников; - снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода; - снятие характеристик полупроводникового триода; - градуировка термопары; - изучение эффекта Холла. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 7. Трудоемкость 12 час. Выполнение лабораторных работ: - определение удельного заряда электрона методом фокусировки электронного пучка магнитным полем; - измерение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли; - изучение электрического сопротивления металлов; - изучение электропроводности полупроводников; - снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода; - снятие характеристик полупроводникового триода; 14 - изучение эффекта Холла. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 8. Трудоемкость 8 час. Выполнение лабораторных работ: - снятие кривой намагничивания железа; - исследование намагничивания ферромагнетиков; - индуктивности катушки. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 9. Трудоемкость 16 час. Выполнение лабораторных работ: - определение показателя преломления и дисперсии жидкости рефрактометром ИРФ-23; - определение концентрации раствора при помощи фотометра Пульфриха и фотоэлектроколориметра; - изучение дифракции от узкой щели; - определение длины волны с помощью отражательной дифракционной решетки; - определение концентрации и удельного вращения оптически активного раствора при помощи поляриметра; - определение постоянной Стефана-Больцмана при помощи оптического пирометра; - изучение характеристик фотоэлемента. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 10. Трудоемкость 4 час. Выполнение лабораторных работ: - изучение спектрального аппарата; - изучение сериальных закономерностей в спектре водорода; - изучение спектров излучения при помощи монохроматора УМ-2; Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Модуль 11. Трудоемкость 4 час. Теоретическое собеседование по теме. Модуль 12. Трудоемкость 4 час. Выполнение лабораторных работ: - определение максимальной энергии -частиц методом полного поглощения. Защита лабораторных работ и прием коллоквиума. Примечание. По каждому модулю выполняется 1-2 лабораторные работы. 7. Практические занятия № Трудоемкость Тематика занятия модуля час. Кинематика и динамика поступательного движения материальной 4* 1 точки. Кинематика и динамика вращательного движения абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции тела. Теорема о параллельных осях. Момент импульса. Законы сохранения в механике. Гармонические колебания 4* 2 Волны Уравнение состояния идеального газа. Внутренняя энергия иде4* 3 ального газа. Количество теплоты. Теплоемкость. Работа объемного расширения. Первое начало термодинамики в применении к изопроцессам идеального газа. Распределения Максвелла и Больцмана. Вычисление средних величин в статистической физике. Средняя длина свободного пробега и среднее число столкновений 15 молекул идеального газа. Явления переноса. Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона. Электростати5 ческое поле. Напряженность и потенциал электрического поля. Работа перемещения зарядов в электростатическом поле. Теорема Гаусса и ее применение к расчету электростатических полей. Электроемкость. Конденсаторы и соединение их в батареи. Энергия электростатического поля, плотность энергии. Электрический ток. Закон Ома для однородного и неоднородного 6 участков цепи. Закон Ома для замкнутой цепи. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей постоянного тока. Магнитное поле. Действие магнитного поля на проводник с током 7 и движущийся заряд. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитных полей. Закон полного тока. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Явление 8 самоиндукция. Экстра токи. Взаимная индукция. Энергия магнитного поля. Геометрическая оптика. 9 Интерференция и дифракция света. Поляризация света. Тепловое излучение. Фотоэффект. Эффект Комптона. Давление света. Атомная физика. Строение атома. Атомные спектры. 10 Квантовая механика. Уравнение Шредингера. Частица в потенци11 альном ящике. Строение ядра. Дефект массы. Энергия связи ядра. 12 Закон радиоактивного распада. Ядерные реакции. Примечания. 1) * Решение задач проводится в рамках лабораторных занятий. 2) Модуль 4 включен в СРС. 4* 2* 2* 2* 8 2 5 2 8. Примерная тематика курсовых проектов (работ) Курсовые проекты или работы данной дисциплине не планируются 9. Образовательные технологии и методические рекомендации по организации изучения дисциплины Чтение лекций по данной дисциплине может проводиться как традиционно, так и с использованием мультимедийных презентаций, в том числе и подготовленных студентами в качестве самостоятельной работы. Презентации позволяют хорошо иллюстрировать лекцию, более четко структурировать ее материал, экономить время, затрачиваемое на рисование на доске сложных объектов и написание формул и, таким образом, дают возможность увеличить объем излагаемого материала. Студентам рекомендуется предоставлять возможность копирования презентаций для самоподготовки и подготовки к экзамену. Проведение практических занятий целесообразно строить по следующей методике: 1. Вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены). 2. Беглый опрос (экспресс-тест) со 100% охватом студентов. 3. Решение типовых задач у доски. 4. Самостоятельное решение задач. 16 5. Разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего). Для эффективного проведения занятий на кафедре должны быть разработаны методические пособия по различным разделам курса с большим банком заданий и задач для самостоятельного решения, причем задания желательно дифференцировать по степени сложности. Ряд занятий целесообразно проводится в дисплейном классе, где студенты могут проходить экспресс-тестирование по завершению соответствующего учебного модуля или им могут быть предложены демоверсии централизованного Интернет тестирования ФЭПО, с последующим разбором и анализом наиболее сложных вопросов и задач. Результаты тестирования и самостоятельного решения задач необходимо оценивать в баллах, которые должны затем учитываться при простановке зачета. Кроме того, на каждом занятии студентам необходимо выдать домашние задания и затем оценивать их выполнение в баллах. При проведении лабораторного практикума необходимо создавать условия для самостоятельного выполнения лабораторных работ. На первом вводном занятии следует познакомить студентов с порядком освоения всего курса физики, а также с последовательностью прохождения лабораторного практикума и проведения практических занятий. Особое внимание уделить технике безопасности при выполнении студентами лабораторных работ. Подробно рассказать о порядок оформления отчетов и методике оценки погрешности физических измерений. Перед выполнением работы рекомендуется предварительно: 1. Провести экспресс-опрос с оценкой в устной или тестовой форме по теоретическому материалу, необходимому для выполнения работы. 2. Проверить (с оценкой) качество предварительной подготовки студента к выполнению лабораторной работы: план выполнения работы, записи в лабораторном журнале. Далее: 3. Оценить работу студента в лаборатории непосредственно при выполнении и предварительном оформлении работы. В ряде лабораторных работ целесообразно включать элементы научных исследований, которые требуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала. Такие работы обычно выдаются наиболее успешным студентам. 4. После оформления отчета по работе на следующем занятии студенты должны защитить свои экспериментальные данные с интерпретацией полученных результатов на основе соответствующих теоретических представлений и получить итоговый балл за данную работу. При организации внеаудиторной самостоятельной работы по данной дисциплине преподавателю рекомендуется использовать следующие формы: подготовка и написание рефератов, докладов, очерков и других письменных работ на заданные темы. выполнение домашних заданий разнообразного характера. Это - решение задач; подбор и изучение литературных источников; подбор иллюстративного и описательного материала по отдельным разделам курса в сети Интернет. выполнение индивидуальных заданий, направленных на развитие у студентов самостоятельности и инициативы. Индивидуальное задание может получать как каждый студент, так и часть студентов группы; подготовка докладов исследовательского характера для выступления на научной студенческой конференции. 10. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Всего по текущей работе в семестре студент может набрать 50 баллов, в том числе: - практические занятия – 20 балла; - лабораторные работы по каждому – 30 баллов; 17 Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26 баллов. Для самостоятельной работы используются задания и задачи, приведенные в перечисленных ниже учебных пособиях: 1. Волькенштейн В. С. Сборник задач по общему курсу физики. Изд. 3-е, испр. и доп.- СПб.: Книжный мир, 2007.-328с. 2. Касаткин И.Л. Практикум по общей физике / И.Л. Касаткин. – Ростов н/Д: Феникс, 2009. 557с. 3. Дмитриева В.Ф. Задачи по физике: учеб. пособие для студ. Образоват. учреждений сред. проф. Образования / В.Ф. Дмитриева. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. -336с. 4. Калашников Н.П., Кожевников Н.М. Физика. Интернет-тестирование базовых знаний.: Учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 160с. 5. Савельев И. В. Сборник вопросов и задач по общей физике. - М. Наука, 1988. – 288с. 6. Кудин Л.С., Бурдуковская Г.Г. Курс общей физики в вопросах и ответах. // Иваново 2007. 184с. 7. Кудин Л.С. Сборник тестов по курсу общей физики. // Иваново 2006. 136с. 8. Кудин Л.С., Бутман М.Ф., Бурдуковская Г.Г. Курс общей физики в вопросах и ответах. Магнетизм. Учебное пособие. // Иваново 2005. 128с. 9. Кудин Л.С., Бурдуковская Г.Г., Бутман М.Ф. Курс общей физики в вопросах и ответах. Электростатика. Методическое контрольно-обучающее пособие для программированного многоуровневого тестирования самостоятельной работы студентов. // Иваново 2005. 84с. 10. Бутман М.Ф., Кудин Л.С. Обработка и представление результатов измерений. Методические указания к лабораторному практикуму. // Иваново 2005. 36с. 11. Кудин Л.С., Погребной А.М., Смирнов А.А. Физика. Физические основы механики. Термодинамика. Молекулярная физика. Учебное пособие для заочников. // Иваново 2001. 128с. 12. Кудин Л.С., Бутман М.Ф., Кузнецов А.Ю. Волновая оптика. Вопросы и задачи. Методические указания для самостоятельной работы студентов. // Иваново 2001. 32с. 13. Кудин Л.С., Кузнецов А.Ю., Бурдуковская Г.Г. Постоянный ток. Качественные вопросы и задачи для самостоятельной работы при подготовке коллоквиума. // Иваново 2000. 24с. 14. Лабораторные работы по механике и молекулярной физике (под ред. А. М. Александровской, Л. Н. Журавлевой). - Иваново, ИХТИ, 1992. (библ. № 81). 15. Лабораторные работы по оптике, атомной и ядерной физике (под ред. Л.Н. Журавлевой, Б.Н. Биргера) - Иваново; ИХТИ, 1986. (библ.N 426). 16. Кудин Л.С. "Электростатика». Качественные вопросы и задачи». - Иваново, ИГХТУ, 1998. 28с. 17. Сборник лабораторных работ по физике "Электростатика. Постоянный ток. Электромагнетизм" - Иваново, ИГХТА, 1997, /сост. Алешонкова Ю.А., Биргер Б.Н., Бутман М.Ф., и др. под ред. Ю.А. Алешонковой, Г.В. Гиричева. 18. Кудин Л.С., Бурдуковская Г.Г. Механические колебания и волны. Качественные вопросы и задачи для самостоятельной работы при подготовке коллоквиума. // Иваново 1996. 17с. 19. Кудин Л.С., Бурдуковская Г.Г. Кинематика и динамика материальной точки. Законы сохранения. Качественные вопросы и задачи для самостоятельной работы при подготовке коллоквиума. // Иваново 1996. 20с. Примерные темы рефератов: 1. К истории открытия законов сохранения. 2. Законы сохранения в «Механике». 3. Выдающиеся открытия в физике 20 века. 4. Парадокс близнецов – миф или реальность. 5. Об истории развития «Теории относительности». 6. «Теории относительности» на современном этапе. 7. Опыт Майкельсона и «Теории относительности». 8. Опыт Физо и «Специальная теория относительности». 18 9. От преобразований Галилея к преобразованиям Лоренца. 10. От А. Пуанкаре до Ф. Эйнштейна. 11. Современная теория гравитации. 12. Опыты Майкельсона и Морли. 13. Об истории открытия эффекта Джозефсона. 14. Фотоэффект в полупроводниках. Эффект Дембера. 15. Эффект Вавилова-Черенкова и его применение в ядерной физике. 16. Эффект Бома и Аронова – миф или реальность. 17. Магнитомеханика и эффект Барнетта. 18. К истории открытия эффекта Блоха. 19. Эффект Ганна и его применение в технике. 20. Эффект Келдыша-Франца и его практическое применение. 21. К истории открытия эффекта Комптона. 22. Явление сверхпроводимости и эффект Купера. 23. Эффект Лэмба в квантовой электродинамике. 24. Термоэлектрические явления и их практическое применение. 25. Термомагнитные явления и их практическое применение. Маджи-Риги-Ледюка. 26. Поляризация света и явление Макалузо-Корбино. 27. вление рассеяния света и Ми эффект. 28. Об истории открытия индуцированного излучения. 29. Дифракция рентгеновских лучей и ее применение в рентгеноструктурном анализе и рентгеновской спектроскопии. 30. Голография – история открытия и ее применение. 31. Ядерный магнитный резонанс и его применение в технике. 32. Проблемы ядерной энергетики на современном этапе. 33. Атомная и ядерная энергетика сегодня и завтра. 34. Ядерные реакции в науке и технике. 35. Проблемы термоядерного синтеза. 36. Классификация элементарных частиц и законы сохранения. 37. Кварковая модель адронов и ее проблемы. 38. Пирометрия и оптические пирометры. 39. Типы интерферометров и их практическое использование. 40. Последние открытия в физике XXI века. 41. Ферромагнетизм и эффект Гопкинсона. 42. Ферромагнетизм и эффект Баркгаузена. 43. Квантовомеханическая интерпретация эффекта де Газа-Ван Альфена. 44. Эффект Виллари и магнитострикции и их применение в технике. 45. Эффект Векслера-Макмиллана.От волн де-Бройля к квантовой механике. 46. Электронный парамагнитный резонанс. 47. Эффект Рамзауэра – Таунсенда. 48. История развития и становления квантовой механики. 49. Из истории развития представлений о строении атома. 50. Строение атомного ядра и эффект Гамова. 51. Эффекты Холла и Кикоина-Носкова и их практическое применение. 52. Эффект Киркендалла и его интерпретация. 53. Эффект Мейснера и его практическое применение. 54. Мессбауэра эффект и его практическое применение. 55. Холодная эмиссия электронов и эффект Молтера. 56. Наследова-Царенкова эффект в истории лазерной техники. 57. Электролюминесценция твердых тел. Эффекты Лосева и Дестрио. 58. Магнитомеханика. Эффект Ричардсона-де Газа-Эйнштейна. 59. Эффект Яна-Теллера. 60. Явление Садовского. Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и 19 итогового контроля Контроль знаний студентов на всех этапах, включая экзамен, осуществляется с использованием компьютерных технологий. В настоящее время для проведения тестирования на кафедре создан банк тестовых заданий по основным разделам курса физики, насчитывающий более 1000 заданий. Содержание тестовых заданий определяется требованиями Государственного образовательного стандарта по курсу физики для высших технических учебных заведений нефизического профиля. Для подготовки студентов к экзаменам растиражирован в достаточном количестве сборник тестовых заданий (Кудин Л.С., Бурдуковская Г.Г. Курс общей физики в вопросах и ответах. // Иваново 2007. 184с.), который сертифицирован Центром сертификации качества ПТМ Исследовательского центра проблем качества подготовки специалистов МОН РФ. Задания составлены по типу открытых и закрытых тестов и разбиты на три уровня сложности. Уровень А – это задания базового (общеобразовательного) уровня, ориентированного на проверку знаний определений, основных понятий, законов и положений курса. Уровень В включают задания, для ответов на которые требуется не только знание основных понятий, законов и положений курса, но и умение использовать их для решения конкретных задач с получением количественных результатов. Уровень С – это задания повышенной сложности, требующие для своего решения творческого подхода и умения логически мыслить и рассуждать. Задания А и В состоят из заданий закрытой формы, задания С являются заданиями открытого типа. Составленные тесты с максимальной широтой охватывают содержание всех разделов курса физики и позволяют получить целостную картину усвоения студентами учебного материала. Тест уровня А, включающий 33 задания, рассчитан на 60 минут и является для выполнения обязательным. Он позволяет набрать студенту минимальное количество баллов (26) и получить удовлетворительную оценку. Тесты уровня В и С выполняются студентами по желанию, рассчитаны на 60 минут и позволяют набрать на экзамене максимальное число баллов (50). Решение тестовых заданий уровней В и С при необходимости не исключает дополнительной беседы с преподавателем. Предлагаемая трехуровневая схема организации экзамена разумно сочетает инновационные и традиционные методы контроля знаний студентов, позволяя при этом существенно минимизировать затраты времени на проведение экзамена. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ФИЗИКА 1 семестр 1. Поступательное и вращательное движение. Формулы кинематики и динамики. 2. Законы Ньютона. Теорема о движении центра инерции. 3. Преобразования Галилея. Принцип относительности Галилея. 4. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальное поле сил. 5. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса механических систем. 6. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. 7. Следствия из преобразований Лоренца: относительность понятия одновременности, длины и промежутков времени. 8. Колебательное движение. Основные понятия: гармонические колебания, осциллятор, амплитуда, частота, период, фаза 9. Уравнение гармонических колебаний в дифференциальной форме и его решение. 10. Молекулы как гармонические осцилляторы. 11. Законы изменения величин, характеризующих гармонические колебания. 12. Математический и физический маятники 13. Сложение колебаний одинаковой направленности и одинаковой частоты. Векторная диаграмма. 14. Биения 15. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу. 16. Затухающие колебания. Уравнение затухающих колебаний в дифференциальной форме и его решение, логарифмический декремент затухания. 20 17. Вынужденные колебания. Резонанс. 18. Волны. Основные понятия: продольные и поперечные, бегущие и стоячие волны, фронт волны, волновая поверхность, фазовая и групповая скорость. 19. Уравнение плоской бегущей волны. Графики, характеризующие смещение точек, участвующих в колебательном процессе, от координаты, от времени. 20. Энергия упругой волны. Вектор Умова-Пойнтинга. 21. Сложение волн. Принцип суперпозиции. Условие образования максимумов и минимумов при интерференции. 22. Стоячие волны. Замечание о стоячих волнах в замкнутом пространстве. 23. Фазовая и групповая скорость. Волновой пакет. 24. Основные понятия термодинамики: система, параметры состояния, состояние, процесс, графическое изображение процессов, внутренняя энергия, идеальный газ, уравнение состояния, теплоемкость. 25. Классическая теория теплоемкости идеального газа. 26. Первое начало термодинамики. Связь между удельными и молярными теплоемкостями. 27. Работа расширения идеального газа в изопроцессах. 28. Адиабатический процесс. Уравнение адиабаты идеального газа (уравнение Пуассона). 29. Основные положения молекулярно-кинетической теории газов и ее особенности. 30. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. 31. Распределение молекул идеального газа по скоростям. Наивероятнейшая, средняя квадратичная и средняя арифметическая скорости. 32. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул газа. 33. Распределение молекул газа во внешнем потенциальном поле сил тяготения. Барометрическая формула Лапласа. 34. Распределение Больцмана для классических и квантовых частиц. 35. Явления переноса в газах. Общий подход к рассмотрению явлений переноса. Диффузия. 36. Теплопроводность, внутреннее трение в газах. Связь между коэффициентами диффузии, теплопроводности, внутреннего трения. 37. Реальный газ. Отклонение от законов идеальных газов и причины, их вызывающие. Эффект Джоуля-Томсона. 38. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Анализ изотермы. 39. Критическое состояние вещества, жидкость, пар, газ. Фазовая диаграмма однокомпонентной системы. 40. Твердое тело. Кристаллические и аморфные тела. Дефекты кристаллов. 41. Теплоемкость кристаллов. Закон Дюлонга и Пти. 2 семестр 42. Заряд и его свойства. Закон Кулона. 43. Напряженность и потенциал электростатического поля. Связь между напряженностью и потенциалом. 44. Электрическое поле диполя. Напряженность и потенциал. 45. Диполь во внешнем электрическом поле. Энергия и вращающий момент. 46. Теорема Гаусса и ее доказательство. 47. Расчет поля бесконечной однородно заряженной плоскости; поле плоского и сферического конденсаторов. 48. Расчет поля бесконечно длинного однородно заряженного цилиндра; поле цилиндрического конденсатора. 49. Расчет поля заряженной сферической поверхности; поле объемно заряженного шара. 50. Проводники в электрическом поле. Условия равновесия зарядов на проводниках. 51. Электроемкость. Общий подход к вычислению емкости. Емкость проводника, имеющего форму шара. 52. Конденсаторы. Емкость плоского, цилиндрического и сферического конденсаторов. 53. Энергия электростатического поля; плотность энергии. Сила притяжения пластин плоского конденсатора. 54. Диэлектрики. Полярные и неполярные диэлектрики и их поведение во внешнем электри21 ческом поле. 55. Поле внутри диэлектрика. Связанные и сторонние заряды. 56. Вектор электрического смещения(индукции). Связь векторов напряженности и смещения. Изображение полей. 57. Специфические свойства твердых диэлектриков. Пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, электреты. 58. Постоянный электрический ток. Перенос заряда, сила и плотность тока. ЭДС. Типы источников ЭДС. 59. Законы Ома для однородного участка цепи в дифференциальной и интегральной форме. Зависимость сопротивления металлов от температуры. 60. Законы Ома для неоднородного участка цепи и замкнутой цепи. Мощность тока. Закон Джоуля -Ленца. 61. Правила Кирхгофа для расчета разветвленных электрических цепей. 62. Магнитное поле, его основные особенности. Магнитное поле движущегося заряда. 63. Магнитное поле проводника с током. Закон Био - Савара - Лапласа и его применение к расчету индукции поля бесконечно длинного прямого проводника с током. 64. Закон Био - Савара - Лапласа; расчет индукции поля в центре кругового витка с током. Магнитный момент. 65. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Движение заряда в однородном магнитном поле. 66. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных проводников с током. 67. Поведение контура с током в магнитном поле; вращающий момент и энергия. 68. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. 69. Циркуляция вектора магнитной индукции в магнитном поле. Закон полного тока. 70. Расчет магнитных полей бесконечно длинного соленоида и тороида и тороида с воздушным зазаром. 71. Магнитное поле в веществе. Напряженность магнитного поля. 72. Виды магнетиков. Природа диа- и парамагнетиков и их свойства. 73. Виды магнетиков. Природа ферромагнетиков и их свойства. 74. Электромагнитная индукция. Правило Ленца. ЭДС электромагнитной индукции. 75. Явление самоиндукции. Индуктивность. Расчет индуктивности соленоида. 76. Изменение силы тока в цепи при отключении и подключении источника ЭДС. 77. Взаимная индукция. Принцип действия трансформатора переменного тока. 78. Энергия магнитного поля; плотность энергии. 79. Зонная теория твердых тел. Зоны в металлах и диэлектриках, механизм проводимости металлов и диэлектриков. 80. Зонная теория применительно к полупроводникам. Собственная и примесная проводимость, полупроводники типа p и n. 81. Полупроводники: p-n переход. Работа полупроводникового диода и триода. 3 семестр 82. Волновая и корпускулярная теории света. 83. Геометрическая оптики. Законы геометрической оптики. 84. Дисперсии света. Устройство спектрального аппарата. Спектральный анализ. 85. Поглощение света веществом. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Цвет тел. 86. Рассеяние света. Закон Релея. 87. Волновая оптика. Основные понятия и величины (двойственная природа света, уравнения и график электромагнитной волны, фронт волны, волновая поверхность, плоские и сферические волны, цуг волн, принцип Гюйгенса, шкала электромагнитных колебаний. 88. Интерференция света, условия максимумов и минимумов при интенсивности света. 89. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. 90. Интерференция в тонких пленках. Пространственная и временная когерентность. Способы наблюдения интерференции света. 91. Дифракция. Метод зон Френеля, применение метода для описания дифракции на круглом отверстии и диске. 22 92. Дифракция в параллельных лучах: узкая щель, дифракционная решетка. 93. Характеристики спектральных приборов: угловая и линейная дисперсия, разрешающая сила; сопоставление дисперсионной способности призмы и дифракционной решетки. 94. Дифракция рентгеновских лучей и электронов. Формула Вульфа-Брегга. 95. Поляризация света, основные понятия. Формула Малюса. 96. Поляризация при отражении и преломлении, закон Брюстера. 97. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Одноосные кристаллы, призма Николя, искусственное двойное лучепреломление, эффекты Керра Фарадея. 98. Оптически активные вещества, вращение плоскости поляризации. Использование явления в химии. 99. Излучение, классификация видов излучения, основные понятия :энергетическая светимость, поглощательная и испускательная способность. Закон Кирхгофа для теплового излучения. 100. Законы излучения абсолютно черного тела. 101. Тепловое излучение в представлении классической и квантовой теории, формула Релея и Джинса, формула Вина, формула Планка. 102. Рентгеновское излучение, тормозное и характеристическое излучение. 103. Фотоэффект. Особенности фотоэффекта, вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента, формула Эйнштейна. 104. Корпускулярные свойства рентгеновских лучей. Эффект Комптона. 105. Фотоны. Энергия и импульс фотона. Давление света, опыты Лебедева. 106. Опытные основания квантовой механики. Опыт Франка и Герца. Гипотеза де-Бройля, опыты по дифракции электронов. 107. Уравнение Шредингера. Оператор Гамильтона. Физический смысл волновой функции. 108. Применение уравнения Шредингера для описания движения частицы в потенциальной яме. 109. Квантово-механическое рассмотрение атома. Квантовые числа. 110. Спектры атомов. Мультиплетное расщепление и спин электрона. 111. Атом в магнитном поле, эффект Зеемана. ЭПР. 112. Опыт Штерна и Герлаха по отклонению атомных пучков в неоднородном магнитном поле. 113. Лазеры. Принцип действия. Особенности лазерного излучения. 114. Ядерная физика. Характеристики атомного ядра. Ядерные силы. 115. Радиоактивность. Виды радиоактивного распада. 116. Закон радиоактивного распада. 117. Ядерные реакции и деление ядер. Радиоуглеродный анализ. Пример экзаменационных контрольно измерительных материалов (вариант трехуровневой системы организации экзамена в дисплейном классе) Тест А 1. Что нужно поставить вместо многоточия в предложении: “Система отсчета, в которой тело, неподверженное действию других тел,……., называется инерциальной.” а) движется с постоянным ускорением по отношению к другим системам отсчета; б) движется прямолинейно по отношению к другим системам отсчета; в) движется равномерно по отношению к другим системам отсчета; г) находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. 2. Принцип относительности Галилея утверждает: а) все инерциальные системы отсчета по своим механическим свойствам эквивалентны друг другу; б) во всех инерциальных системах отсчета все законы механики записываются одинаковым образом; в) во всех инерциальных системах отсчета свойства пространства и времени 23 одинаковы; г) все приведенные утверждения эквивалентны друг другу. 3. Радиус-вектор, определяющий положение материальной точки в пространстве, изменяется со временем по закону r = 3tex + 4tey + 7ez. Чему равен модуль скорости? а) 74 м/с; б) 25 м/с; в) 14 м/с; г) 8,6 м/с; д) 5 м/с. 4. Установите соответствие между потенциальной энергией тела в поле различных сил и ее математическим выражением. Потенциальная энергия а) потенциальная энергия тела в поле консервативных сил б) потенциальная энергия тела в поле силы тяжести в) потенциальная энергия тела в поле упругой силы г) потенциальная энергия тела в гравитационном поле Математическое выражение 1) mgz 2) Error! 3) Error! 4) Error!Fdr а) ; б) ; в) ; г) . 5. Момент инерции стержня длиной l относительно оси, проходящей через конец стержня, равен а) Error!; б) Error!; в) Error!; г) Error!; д) ml2. 6. Установите соответствие для моментов инерции однородных тел относительно оси zc, проходящей через центр масс тела. Твердое тело Ось zc а) тонкий стержень длины а Момент инерции 1) ma2 2) Error! б) сплошной цилиндр радиуса a 3) Error! в) тонкий диск радиуса 4) Error! г) шар радиуса a 5) Error! д) обруч радиуса a 24 а) 7. ; б) в) ; г) ; ; д) . Установите соответствие между силой и ее математическим выражением. Математическое Сила выражение а) сила гравитационного взаимодействия 1) F = N б) сила тяжести 2) F = rv в) сила упругости 3) F = Error! г) сила трения скольжения 4) F = mg д) сила сопротивления 5) F = kr а) ; б) в) ; г) ; д) ; . 8. Как изменится момент инерции двух материальных точек массами m, если ось OO перевести: (1) в положение I; (2) в положение II? О I II m m О а) увеличится, не изменится; б) не изменится, увеличится; в) увеличится, увеличится; г) не изменится, не изменится; д) увеличится, уменьшится; е) уменьшится; увеличится; ж) уменьшится; не изменится; з) не изменится; уменьшится. 9. Как изменится момент инерции свинцового цилиндра относительно оси, совпадающей с его геометрической осью симметрии, если цилиндр сплющить в диск? а) не изменится; б) увеличится; в) уменьшится. 10. Установите соответствие между физическим законом и его математическим выражением. Математическое Закон выражение а) второй закон Ньютона 1) Error!Ii i = const б) закон всемирного тяготения 2) E = T + U = const 25 в) закон сохранения импульса 3) F = Error!er г) закон сохранения механической энергии 4) F = Error! д) закон сохранения момента импульса 5) Error!miVi = const а) б) ; ; в) г) ; ; д) . 11. В каком из приведенных ниже выражений допущена ошибка? а) V = r ; б) L = [r p]; в) M = [r F]; г) dr = [d r]; д) a = [ r]. Тест В 1. Зависимость пройденного телом пути S от времени t дается уравнением S = А+Вt+Ct2+Dt3 ( А=0,1 м; В = - 0,1 м/с; С = 0,1 м/с2, D = 0,01 м/с3 ). Найдите: 1) путь, пройденный телом за третью секунду движения; 2) через какое время t после начала движения тело будет иметь ускорение а=1 м/c2 ? 2. Колесо автомашины вращается замедленно. За время t = 2 мин оно изменило частоту вращения от 240 до 60 мин–1. Определите угловое ускорение колеса и число полных оборотов, сделанных колесом за это время. 3. Автомобиль массой 1 т поднимается по шоссе с уклоном 30о под действием силы тяги 7 кН. Найдите ускорение автомобиля, считая, что сила сопротивления зависит от скорости и составляет 0,1 от силы нормальной реакции опоры. 4. Для сжатия пружины на х1 = 1 см нужно приложить силу F = 10 Н. Какую работу А нужно совершить, чтобы сжать пружину на х2 = 10 см, если сила пропорциональна сжатию. 5. С железнодорожной платформы, движущейся со скоростью υ1 = 2,4 м/с, выстрелили из пушки в горизонтальном направлении. Масса платформы с пушкой М = 20 т, масса снаряда m = 25 кг. Определите скорость платформы после выстрела, скорость снаряда равна υ2 = 800 м/с. Направление выстрела противоположно направлению движения платформы. Тест С Шайба соскальзывает без трения по наклонному желобу, переходящему в мертвую петлю радиусом R, с высоты H = 3,5R. Найдите в точке A отношение модулей силы реакции и силы тяжести. 1. H R R H R A R A A 11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины: а) основная литература: 26 1. Савельев И.В. Курс физики. В 3 тт. СПб.: Издательство «Лань», 2008. 2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов /Т.И. Трофимова. – 16-у изд., стер. – М.: Издательский цунтр «Академия», 2008. – 560с. б) дополнительная литература: 3. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. В 2 тт. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000. 4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. В 5 тт. М.: Высшая школа, 1983-1990. 5. Детлаф А.Н., Яворский Б.М. Курс физики: учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1989. в) программное обеспечение - СИСТЕМНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Office 2007 Pro, FireFox 12. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля) Лекции по дисциплине проводятся в аудиториях, оснащенных видеопроектором. Практические занятия, на которых проводится текущее или контрольное тестирование проводятся в дисплейных классах факультета и Центра тестирования при ИГХТУ (10 ПЭВМ типа Pentium). При проведении лабораторного практикума используются помещения кафедры физики (три лаборатории), оснащенные соответствующим учебно-лабораторным оборудованием. Перечень оборудования приводится в сборниках лабораторных работ: Механика и молекулярная физика (под ред. А. М. Александровской, Л. Н. Журавлевой). - Иваново, ИХТИ, 1992. (библ. № 81). Электростатика. Постоянный ток. Электромагнетизм (под ред. Ю.А. Алешонковой, Г.В. Гиричева). - Иваново, ИГХТА, 1997. (библ.№ 680). Оптика, атомная и ядерная физика (под ред. Л.Н. Журавлевой, Б.Н. Биргера) - Иваново; ИХТИ, 1986. (библ.№ 426). Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки Автор ______________________ __ Кудин Л.С. Заведующий кафедрой_________ __ _Гиричев Г.В. Рецензент (ы) __________________ (подпись, ФИО) Программа одобрена на заседании научно-методического совета факультета неорганической химии и технологии ИГХТУ от «_____» ________ 2011 г., протокол № ____. Председатель НМС Косенко Н.Ф. 27
