Программа курса физики

Программа курса физики
для студентов геологического факультета (вечернее отделение).
Лектор: ст. преп. Зароченцева Е.П.
Курс рассчитан на 60 лекционных часов: 1 семестр - 10 лекций по 4 часа, 2 семестр
- 10 лекций по 2 часа. Два экзамена.
Кроме того, студенты проходят лабораторию физпрактикума – 34 часов. В
лаборатории проводятся два вводные занятия, посвященные математической обработке
результатов измерений, технике безопасности и методике эксперимента. Каждый студент
выполняет серию лабораторных работ (5-6 работ), в том числе 1 по механике, 1-2 по
молекулярной физике, 1-2 по электричеству и 1 по оптике. Последнее занятие в
лаборатории – зачетное (зачет недифференцированный). Зачет по лаборатории является
необходимым условием для допуска к экзамену.
Самостоятельная работа студентов заключается в следующем:
 В первом семестре каждый студент должен решить 5 задач: 2 задачи по
механике, 2 по молекулярной физике, 1 по электростатике.
 Во втором семестре предлагается написать реферат на тему, отражающую роль
физики в решении задач геологии или экологии.
Часть вопросов программы (выделенные курсивом) в связи с недостатком
предлагается изучить самостоятельно.
времени
1СЕМЕСТР
1.Физические основы механики.
1 лекция
Введение. Роль физики.
Кинематика материальной точки. Основные характеристики движения. Нормальное и тангенциальное
ускорения материальной точки. Вращение. Связь угловых и линейных характеристик движения.
Законы Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Инвариантность
законов механики
Закон сохранения импульса. Реактивное движение.
Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения. Гравитационная и инертная масса, их эквивалентность.
2 лекция
Неинерциальные системы отсчета. Фиктивные силы. Центробежная сила
Гравитационное поле земли. Зависимость g от широты. Закон Бера. Аномалии ускорения силы тяжести.
Принципы гравиразведки
Кориолисовы силы. Их проявление на Земле.
Основные типы взаимодействия в современной физике. Некоторые основные силы классической
механики. Понятие поля. Потенциальное поле. Консервативные и неконсервативные силы.
Работа, энергия, мощность. Закон сохранения энергии. Упругое и неупругое соударения.
3 лекция
Движение абсолютно твердого тела. Основные характеристики. Вращение незакрепленного твердого тела
Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Закон сохранения момента импульса.
Связь законов сохранения и симметрии пространства.
Кинетическая энергия при вращательном движении. Теорема Штейнера. Свободные оси. Гироскоп.
Элементы теории относительности. Опыт Майкельсона. Преобразования Лоренца
Давление в жидкости и в газе. Выталкивающая сила1 Движение вязкой жидкости. Ламинарное и
турбулентное течения. Число Рейнольдса. Уравнение Бернулли.
1
Вопросы, выделенные курсивом - самостоятельно.
4 лекция.
Гармонические колебания. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Энергия колебаний.
Сложение колебаний (векторные диаграммы). Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс
Волны. Продольные и поперечные волны. Плоские волны. Уравнение волны. Интерференция. Стоячие
волны. Энергия волны.
Молекулярная физика и термодинамика.
5 лекция.
Два подхода: термодинамика и статистическая физика. Основы молекулярно-кинетической теории. Атомные
единицы массы, моль, число Авагадро. Параметры термодинамического состояния. Температура. Давление.
Уравнение состояния идеального газа. Частные случаи уравнения состояния (P,V,T=const). Графическое
изображение. Работа, совершаемая газом при этих процессах.
Следствия из уравнения состояния идеального газа.
Адиабатический процесс. Уравнение адиабаты. Работа при адиабатическом процессе.
Теплоемкость идеального газа. Отношение Сp/Сv.
6 лекция
Идеальный газ во внешнем поле. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
Распределение молекул по скоростям (Максвелла). Средняя, среднеквадратичная и наиболее вероятная
скорости молекул
Реальные газы. Изотерма Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние газа.
Агрегатные и фазовые состояния. Фазовые переходы. Жидкости. Межмолекулярное взаимодействие в
жидкостях и твердых телах. Поверхностное натяжение. Расширение тел при нагревании.
Твердые тела. Аморфные, поликристаллы, монокристаллы.
7 лекция
Равновесные состояния и равновесные процессы. Внутренняя энергия, как функция состояния . Первое
начало термодинамики.
Циклические процессы. Идеальный цикл Карно. Второе начало термодинамики. Свободная энергия и
энтропия. Физический смысл энтропии. Энтропия и вероятность.
Третье начало термодинамики. Теорема Нернста
Явления переноса. Длина свободного пробега. Диффузия. Теплопроводность. Вязкость.
Электростатика.
8 лекция
Электрический заряд. Точечные и распределенные заряды. Плотность зарядов. Дискретность заряда. Закон
сохранения зарядов. Закон Кулона.
Электрическое поле и напряженность. Принцип суперпозиции полей. Линии напряженности
электростатического поля. Работа сил электростатического поля. Потенциал. Связь напряженности
электростатического поля и потенциала.
Поток напряженности электростатического поля. Теорема Остроградского-Гаусса, ее простейшие
применения. Теорема Остроградского-Гаусса в дифференциальной форме.
9 лекция
Электрический диполь. Дипольный момент. Поле диполя.
Проводники в электростатическом поле. Распределение свободных зарядов. Поле и потенциал внутри
проводника. Поле снаружи, вблизи и на поверхности проводника. Электроемкость. Конденсаторы.
Электростатическое поле в диэлектрике. Классическая модель диэлектрика. Свободные и связанные заряды.
Электронная, ориентационная и ионная поляризации. Вектор электрической поляризации. Связь между
вектором поляризации и поверхностной плотностью связанных зарядов. Диэлектрические восприимчивость и
проницаемость. Электрическая индукция.
Электрические свойства горных пород. Удельное электрическое сопротивление и проводимость.
Электрический ток.
10 лекция
Сила и плотность тока. Законы Ома и Джоуля-Ленца. Условия стационарности тока. Сторонние источники
ЭДС. Сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника ЭДС. Законы Ома и Джоуля-Ленца
для замкнутой цепи. Законы Кирхгофа. Проводники второго рода Законы Фарадея.
Электронная теория проводимости металлов. Модель металла Друде-Лоренца. Объяснение законов Ома и
Джоуля-Ленца классической электронной теорией.
Затруднения классической электронной теории. Граница Ферми. Современные представления о
проводимости проводников, изоляторов и полупроводников. Системы уровней для проводников, изоляторов и
полупроводников. Донорные и акцепторные примеси.
Явления на границе металл-вакуум. Силы, удерживающие электроны в металле. Потенциальная яма. Работа
выхода. Термоэлектронная эмиссия.
Явления на границе двух металлов. Внутренняя и внешняя контактные разности потенциалов. Явление
Пельтье. Термоэлектричество и его применения.
2 СЕМЕСТР
Магнитное поле.
Лекция 1
Взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля. Магнитное поле
движущихся зарядов. Закон Био-Савара-Лапласа. Сила Лоренца. Действие магнитного поля на ток. Формула
Ампера. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Замкнутый контур в поле.
Магнитные свойства тел. Диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм. Физический смысл векторов B и H.
Природа магнитных свойств вещества. Объяснение диамагнетизма, парамагнетизма и ферромагнетизма.
Лекция 2
Дивергенция и ротор вектора магнитной индукции.
Электромагнитная индукция. Закон Фарадея и правило Ленца. Взаимоиндукция и самоиндукция. Переменный
ток.
Естественное электромагнитное поле Земли.
Магнитная восприимчивость горных пород.
Лекция 3.
Взаимосвязь электрических и магнитных полей. Законы электромагнитного поля. Ток смещения. Уравнения
Максвелла в интегральной форме. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме. Образование
свободных электромагнитных волн. Энергия электростатического и магнитного поля. Энергия и импульс
электромагнитной волны. Излучение диполя.
Оптика.
Лекция 4.
Корпускулярно волновой дуализм света Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Герцем.
Плоская электромагнитная волна. Монохроматические волны. Поперечность электромагнитных волн.
Оптический диапазон частот. Шкала электромагнитных волн.
Дисперсия света. Взаимодействие света с веществом. Поглощение света. Закон Бугера Рассеяние света,
закон Релея.
Поток электромагнитной энергии и вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность света.
Лекция 5.
Интерференция света. Когерентность источников света. Способы наблюдения интерференции. Опыт Юнга.
Интерференционные полосы равного наклона. Интерференционные полосы равной толщины.
Дифракция света. Принцип Гюйгенса Френеля. Зоны Френеля. Дифракция Фраунгофера на узкой щели.
Дифракционная решетка. Дисперсия дифракционной решетки. Разрешающая способность дифракционной
решетки.
Поляризация света. Естественный неполяризованный свет. Поляризация при отражении и преломлении
света. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Призма Николя. Оптическая активность. Закон Малюса.
Лекция 6.
Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способности. Абсолютно черное тело. Излучение
абсолютно черного тела - основные экспериментальные закономерности. Закон Кирхгофа. Закон Вина. Закон
Стефана-Больцмана. Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Формула Планка.
Фотоэффект - основные экспериментальные закономерности. Формула Эйнштейна. Красная граница.
Рентгеновские лучи, их возбуждение и регистрация. Тормозное и характеристическое излучение. Рассеяние
рентгеновских лучей. Эффект Комптона. Дифракция рентгеновских лучей.
Элементы атомной, квантовой и ядерной физики
Лекция 7.
Закономерности в атомных спектрах. Классическая планетарная модель атома. Затруднения классической
модели. Постулаты Бора. Опыт Франка-Герца Элементарная теория строения атома водорода и
водородоподобных ионов (по Бору). Гипотеза де Бройля. Объяснение Де Бройлем 1 постулата Бора.
Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов
Уравнение Шредингера. Физический смысл уравнения Шредингера и волновой функции.
Лекция 8.
Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Описание движения в квантовой механике. Свойства
волновой функции. Квантование. Решение задач в квантовой механике. Спин электрона. Мультиплетность
спектров. Результирующий момент многоэлектронного атома.
Квантовые числа и принцип Паули.
Допустимые квантовые состояния электрона в атоме. Электронные оболочки атома и периодическая система
элементов Менделеева
Вынужденное излучение. Лазер. Свойства лазерного излучения..
Лекция 9.
Свойства протонов и нейтронов. Характеристики атомного ядра. Энергия связи в ядре. Искусственное
превращение атомных ядер, открытие нейтрона. Состав атомных ядер, изотопы. Эквивалентность массы и
энергии. Ядерные силы, дефект массы, энергия связи. Свойства ядерных сил. Модель ядра.
Естественная радиоактивность. Методы регистрации отдельных типов излучения. Период полураспада.
Радиоактивные методы определения возраста пород. Энергия и проникающая способность радиоактивного
излучения.
Ядерные реакции. Цепная реакция. Атомная бомба. Термоядерные реакции.
Лекция 10.
Элементарные частицы. Космические лучи
Систематика элементарных частиц. Классы элементарных частиц. Методы наблюдения элементарных
частиц. Фермионы и бозоны.
Фундаментальные взаимодействия и их характеристики. Сильное взаимодействие. Слабое взаимодействие.
Электромагнитное взаимодействие. Гравитационное взаимодействие.
Рекомендованная литература.
ОСНОВНАЯ
1. Савельев И.В. Курс общей физики тт.1-3, Москва, Наука. (любой год издания)
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М. Наука. 1976г.
2. Фриш С.Э., Тиморева М.С. Курс общей физики тт.1-3.
3. Китайгородский А.И. Введение в физику, Москва, Наука, 1973.
4. Феймановские лекции по физике. Москвва, Мир, 1977.
5. Аленицын А.Г., Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Краткий физико-математический справочник.
Москва, Наука, 1990.