Общая Физика. - Физический факультет

Федеральное агентство по образованию
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета
Томского государственного университета
____________ В.М. Кузнецов
«___» ___________ 200 _ г.
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Рабочая программа
Специальность 011600 – биология
Статус дисциплины:
Федеральный компонент
Общие математические и естественнонаучные дисциплины
Томск
2006
Одобрено кафедрой общей и экспериментальной физики
Протокол № ____ от «___» ___________ 200__ г.
Зав. кафедрой, профессор ________________ В.П. Демкин
Рекомендовано методической комиссией
Физического факультета Томского государственного университета
Председатель комиссии ______________ В.М. Вымятнин
«___» ____________ 200__ г.
Рабочая программа по курсу «Общая физика» составлена на основе требований
Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования
по специальности 011600 – биология, утверждённого «10» марта 2000 г.
Общий объём курса 350 часов. Из них: лекции – 62 часа, практические занятия – 16
часа, физический практикум -54 часов, самостоятельная работа студентов - 218 часа. Зачёты по практическим занятиям и физическому практикуму во втором-четвертом семестрах, экзамены во втором-четвертом семестрах Общая трудоёмкость курса _______ зач. ед.
Составители:
Мельничук Сергей Васильевич– доцент ФФ
Рецензент:
К. ф.-м. наук, доцент ФФ Толстик Александр Михайлович
I. Организационно-методический раздел
Курс предназначен для студентов биологического факультета университета
Цель курса
Целью курса является дать представление студентом о:
- основных, фундаментальных физических законах;
- возможностях применения фундаментальных законов физики для объяснения
свойств и поведения сложных многоатомных систем;
- свойствах ядер атомов и элементарных частиц;
- физических, методах исследований;
- современных достижениях физики, физических принципах работы современных технических устройств.
Задача учебного курса
Курс состоит из шести частей:
 Физические основы механики;
 Физика колебаний и волн;
 Статистическую физика и термодинамика;
 Электричество и магнетизм;
 Оптика;
 Квантовая физика.
После изучения курса студент должен:
 иметь целостное представление о процессах и явлениях, происходящих в неживой и
живой природе;
 понимать возможности современных научных методов познания природы;
 владеть знаниями фундаментальных явлений и эффектов в области физики, экспериментальными и теоретическими методами исследований в этой области.
Требования к уровню освоения курса





Дипломированный специалист должен знать и уметь использовать:
физические основы механики: кинематику и законы динамики материальной точки,
твердого тела, жидкостей и газов, законы сохранения, основы релятивистской механики;
физику колебаний и волн: кинематику гармонических колебаний, интерференцию и
дифракцию волн, спектральное разложение;
статистическую физику и термодинамику: молекулярно-кинетическую теорию, функции распределения частиц по скоростям и координатам, законы термодинамики, свойства газов, жидкостей и кристаллов;
электричество и магнетизм: постоянные и переменные электрические поля в вакууме и
веществе, теорию Максвелла, свойства и распространение электромагнитных волн, в
том числе оптического диапазона;
квантовую физику: состояния частиц в квантовой механике, дуализм волн и частиц,
соотношения неопределенностей, электронное строение атомов, молекул и твердых
тел, элементы ядерной физики.
II.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Содержание курса
Тема
Содержание
Системы отсчёта. Основные характеристики движения. Прямолинейное движение материальной точки.
Криволинейное движение материальной точки. Движение по окружности.
Динамика
материальной Законы Ньютона. Масса и импульс. Закон изменения
импульса. Закон сохранения импульса в изолированточки
ной системе. Силы. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Вес тел. Ускорение свободного
падения.
Работа и мощность. Энергия: кинетическая энергия
Работа и энергия
тела, потенциальная энергия упругодеформированного тела, потенциальная энергия тела в гравитационном поле. Закон сохранения и превращения энергии. Границы применимости классической механики.
Момент силы и момент импульса. Основной закон
Вращательное движение
динамики вращения. Моменты инерции некоторых
твердого тела
тел. Закон сохранения момента импульса. Кинетическая энергия вращающегося тела.
Основные определения. Уравнение неразрывности.
Движение жидкости
Уравнение Бернулли. Некоторые приложения уравнения Бернулли.
Гармонические колебания и его характеристики.
Колебания и волны
Сложение одинаково направленных гармонических
колебаний. Сложение взаимно перпендикулярных
гармонических колебаний. Динамика колебательного движения. Маятник. Затухающие и вынужденные
колебания. Волновой процесс. Уравнение волны.
Интенсивность волны. Интерференция волн. Стоячие волны. Фронт волны. Принцип Гюйгенса- Френеля.
Общие сведения о строении Основные положения молекулярно-кинетической
теории. Некоторые явления, подтверждающие освещества
новные положения МКТ. Теплота и температура.
Предмет и методы молекулярной физики.
Экспериментальные газовые законы. ТермодинамиСтатистический метод
ческая температура. Основное уравнение кинетической теории газов (Клаузиуса). Распределение Максвелла. Распределение Больцмана.
Число степеней свободы. Внутренняя энергия. ТепПервое начало термодиналоемкости газов. Физический смысл молярной газомики
вой постоянной. Распределение энергии по степеням
свободы. Первое начало термодинамики. Работа, совершаемая системой при изменении объема. Адиабатические процессы.
Цикл Карно. Второе начало термодинамики. ЭнтроВторое начало термодиКинематика
пия. Энтропия идеального газа. Статистический
смысл энтропии.
Средняя длина свободного пробега. Уравнение пеЯвления переноса
реноса. Диффузия. Теплопроводность. Внутреннее
трение.
Особенности строения жидкостей и твердых тел.
Жидкости и твердые тела
Деформация твердого тела. Тепловое расширение
твердых и жидких тел. Теплоемкость твердых и
жидких тел. Диффузия в жидких и твердых телах.
Теплопроводность твердых и жидких тел. Вязкость
жидкости. Внутреннее давление в жидкости. Поверхностное натяжение. Дополнительное давление
под искривленной поверхностью жидкости. Капиллярные явления.
Понятие о фазовых превращениях и диаграмме соИзменение агрегатного состояний вещества. Реальный газ. Уравнение Ванстояния вещества
дер-Ваальса. Опыт Эндрюса. Критическая температура. Сжатие газов. Эффект Джоуля-Томсона. Испарение и конденсация. Кипение. Плавление и кристаллизация.
Электризация тел. Электрический заряд. ВзаимодейЭлектростатика
ствие электрических зарядов в вакууме. Электрическое поле и его напряженность. Диполь. Теорема
Остроградского-Гаусса. Работа при перемещении
заряда в электрическом поле. Потенциал. Проводники в электрическом поле. Электроемкость. Энергия
заряженного проводника. Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Электрическое поле в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость. Вектор электрической индукции. Конденсатор. Энергия электрического поля.
Постоянный
электриче- Электрический ток. Сила тока. Электродвижущая
сила. Напряжение. Ток в металлических проводниский ток
ках. Закон Ома. Работа и мощность тока. Разветвленная электрическая цепь. Правила Кирхгофа. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические
явления. Ток в полупроводниках. Собственная и
примесная проводимости полупроводников. Ток в
жидкостях. Электролиз.
Постоянный магнит и круговой ток. Магнитные поля
Электромагнетизм
магнитов и токов. Магнитное взаимодействие токов
в вакууме. Напряженность магнитного поля. Формула Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное
поле соленоида и тороида. Диа-, пара- и ферромагнитные вещества. Магнитная индукция. Поток магнитной индукции. Действие магнитного поля на
проводник с током. Некоторые приборы и установки, основанные на движении заряженных частиц в
электрическом и магнитном полях.
Электромагнитная индук- Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Токи Фуко. Взаимная индукция и самоинция и переменный ток
дукция. Энергия магнитного поля. Понятие об элекнамики
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
тромагнитной теории Максвелла. Емкостное и индуктивное сопротивления. Обобщенный закон Ома.
Электрические колебания и Электромагнитные волны. Закрытый колебательный
контур. Вибратор Герца. Автоколебательный конэлектромагнитные волны
тур.
Природа света. Отражение и преломление света.
Общие сведения о природе
Полное отражение. Дисперсия света. Спектры. Тони свойствах света
кие линзы. Микроскоп. Основные фотометрические
характеристики. Поглощение света. Физикохимическое и физиологическое действие света.
Интерференция света. Интерферометр. Опыт МайВолновые свойства света
кельсона. Специальная теория относительности. Интерференция света отраженного от прозрачных пленок. Дифракция света. Разрешающая способность
оптических приборов. Дифракция от щелей. Дифракционные спектры. Дифракционная решетка.
Рассеяние света в мутной среде. Дифракция рентгеновских лучей. Формула Вульфа-Брэггов. Дифракция микрочастиц. Волны де Бройля.
Естественный и поляризованный свет. Закон МалюПоляризация света
са. Двойное лучепреломление. Вращение плоскости
колебаний поляризованного света. Поляризация при
двойном
лучепреломлении.
Поляризационные
устройства.
Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон
Квантовые свойства света
Кирхгофа. Закон излучения абсолютно черного тела.
Квантовый характер излучения. Формула Планка.
Элементы атомной физики Строение атома. Дискретность энергетических состояний атома. Постулаты Бора. Строение атома водорода и объяснение его спектров. Квантовая теория
строения многоэлектронных атомов. Люминесценция. Квантовые генераторы. Фотоэффект. Масса и
импульс фотона. Световое давление. Эффект Комптона.
Элементы ядерной физики Общие сведения об атомных ядрах. Изотопы. Естественная радиоактивность. Альфа-, бета- и гаммаизлучения. Законы радиоактивного распада. Методы
наблюдения и регистрации микрочастиц. Ядерные
реакции. Энергия связи. Дефект масс атомного ядра.
Реакция деления. Цепная реакция. Ядерный реактор.
Примерная тематика практических занятий
1. Кинематика материальной точки. Динамика материальной точки. Закон сохранения
импульса.
2. Работа и энергия . Закон сохранения механической энергии. Уравнение моментов.
3. Закон сохранения момента импульса. Колебательное движение. Упругие волны.
4. Уравнение состояния идеального газа. Процессы в газах. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики.
5. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электрического поля. Теорема Гаусса для
электрического поля в вакууме. Проводники и диэлектрики. Теорема Гаусса для диэлектриков. Законы постоянного тока.
6. Магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитные силы. Теорема о
циркуляции для магнитных полей. Магнитное поле в веществе. Уравнения Максвелла.
7. Интерференция электромагнитных волн. Дифракция электромагнитных волн. Дисперсия электромагнитных волн. Поляризация.
8. Тепловое излучение. Явление фотоэффекта.
Примерная тематика лабораторных работ
1. Определение модуля Юнга из изгиба
2. Изучение законов сохранения на примере центрального удара шаров
3. Проверка основного закона динамики из вращательного движения на крестообразном
мятнике Обербека
4. Определение отношения удельных теплоемкостей воздуха Ср/Сv методом КлеманаДезорма
5. Изучение закона Максвелла распределения молекул по скоростям
6. Изучение электростатического поля
7. Изучение процессов заряда и разряда конденсатора
8. Изучение явления резонанса напряжений
9. Определение длины световой волны при помощи бипризмы Френеля
10. Наблюдение дифракции Фраунгофера на дифракционной решетке в свете излучения
ртутной лампы
11. Определение постоянной Ридберга
12. Зависимость фототока от длины волны
13. Зависимость фототока от интенсивности света
14. Статистические закономерности радиоактивного распада
III.
№
Распределение часов курса по темам и видам работ
Наименование тем
Всего часов
Аудиторные занятия (час)
Самостоятельная
работа
в том числе
1
2
Кинематика
Динамика
3
4
Работа и энергия
Уравнение динамики вращательного движения
Колебательное движение и волны
Уравнения переноса
Механика жидкостей и упругих
тел
Методы рассмотрения систем, состоящих из большого числа частиц
Статистический метод
Первое начало термодинамики
Второе начало термодинамики
Неидеальный газ
Фазовые переходы
Жидкое состояние
Явления переноса
Электрическое поле в вакууме
Электрическое поле в диэлектриках
Проводники в электрическом поле
Энергия электрического поля
Электрический ток
Магнитное поле в вакууме
Магнитное поле в веществе
Электромагнитная индукция
Уравнения Максвелла
Электромагнитные волны
Интерференция света. СТО
Дифракция света
Поляризация света
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29 Тепловое излучение
30 Элементы атомной физики
31 Элементы ядерной физики
ИТОГО
лабораторные
занятия
лекции
семинары
11
22.5
8.5
2
4
2
1
0.5
0.5
8
8
10
6
12.5
2
0.5
4
6
10.5
10.5
2
2
0.5
0.5
8
8
10.5
2
0.5
8
6.5
2
0.5
4
16.5
12.5
8.5
6.5
10.5
8.5
10.5
14.5
2
2
2
2
2
2
2
4
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
10.5
2
0.5
14.5
8.5
14.5
10.5
5.5
7.5
5.5
9.5
16.5
16.5
10.5
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
2
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
6.5
16.5
16.5
2
2
2
0.5
0.5
0.5
4
4
4
10
10
350
62
16
54
218
6
4
4
8
6
6
4
8
6
8
6
8
4
4
4
4
4
8
6
8
8
4
2
4
8
10
10
8
Форма итогового контроля
Два экзамена по лекционному курсу, один зачета по практическим и лабораторным занятиям.
V. Учебно-методическое обеспечение курса
IV.
Рекомендуемая литература (основная)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Сивухин Д.В. Механика. –М.: Наука, 1979. –519 с.
Савельев И.В. Курс общей физики. –М.: Наука, 1988. –336 с.
Грабовский Р.И. Курс физики. 2002. – 608 с.
Матвеев А.К. Механика и теория относительности. –М.: Высшая школа, 1986. –320 с.
Хайнин С.Э. Физические основы механики. –М.: Наука, 1991. – 751 с.
Телеснин А.А. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1968г.
Ковалевская М.А. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1981г.
Матвеев А.А. Молекулярная физика и термодинамика. Т.3 – М.: Наука, 1982г.
Яворский И.Л. Курс общей физики. Т.1 – М.: Наука, 1973г.
Шебалин А.В. Молекулярная физика. – М.: Наука, 1984г.
Савельев В.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1979г.
Кикоин И.И Молекулярная физика. – М.: Наука,
Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика. – М.: Наука, 1975г.
Иродов Д.В. Задачник по физики.–М.:Наука,1975г.
Ландсберг Г.С. Оптика.-М.: Наука, 1976
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1985.
Калитиевский Н.И. Волновая оптика. – М.: Наука, 1971.
Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высшая школа, 1985.
Бутиков Б.И. Оптика. – М.: Высшая школа, 1986
Рекомендуемая литература (дополнительная)
4.
5.
Фейман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. –М.: Мир, 1965. –
266 с.
Китель Ч., Найт В., Рудерман М. Механика. – М:Наука. 1983. –(Берклеевский курс
физики, том 1). -448 с.
Вихман Э. Квантовая физика. – М:Наука. 1977. –(Берклеевский курс физики, том 4). 416 с.
Пинский А.А., Яворский Б.М. Основы физики. –М.: Наука, 1981.
–447 с.
6.
7.
Кабардин О.Ф. Основы физики. –М.: Просвещение, 1991. –367 с.
Фейман Р. Характер физических законов. –М.: Наука, 1987. –158 с.
1.
2.
3.
Авторы (составители):
Мельничук Сергей Васильевич, доцент кафедры общей и экспериментальной физики.