2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КУРСА
В соответствии с ГОС курс входит в число дисциплин обязательных федеральных компонентов ЕН.Ф.03 Физика по направлениям 550700 «Электроника и микроэлектроника » и играет роль фундаментальной базы, без которой невозможна успешная профессиональная деятельность инженера любого профиля.
Основной целью курса является формирование у студентов целостного естественно - научного представления о физической картине мира, общепредметных и общеинженерных интеллектуальных умений, позволяющих: а) решать конкретные физические задачи и проблемы с привлечением соответствующего математического аппарата, б) производить и грамотно обрабатывать простейшие физические измерения основных физических величин, в) успешно изучать в дальнейшем общетехнические и специальные дисциплины.
Курс состоит из трех модулей:
механика, молекулярная физика и термодинамика, электричество;
электромагнетизм, колебания, волны и оптика;
элементы квантовой физики.
Кратко охарактеризуем концептуальные основы построения лекций курса (119 ч).
Лекции курса выполняют организующую роль по отношению ко всему учебному процессу. На них студентам сообщаются знания о предмете и способах деятельности, и подготавливается организация самостоятельной работы (на практических, лабораторных занятиях и дома). При этом формируются такие умения как моделирование физических явлений, сопоставление выводов модели с результатами эксперимента, классификация физических законов, понятий и величин и т.д.
Лекционные занятия курса направлены не на описательное ознакомление с обширным кругом различных физических явлений, а на усвоение иерархии физических законов, принципов и понятий, позволяющих эффективнее использовать их в конкретных ситуациях. Излагается физика как единая наука, опирающаяся на небольшое число фундаментальных законов, которые обобщают множество опытных фактов. Этим определяется выбор, порядок и методика изложения лекционного материала курса.
В начале первого модуля студентам излагаются основы специальной теории относительности Эйнштейна и ее предельного нерелятивистского приближения – механики Ньютона. Сначала вводятся главные, сохраняющиеся величины (релятивистские импульс и энергия, момент импульса), которые будут работать в последующих модулях, а затем вспомогательные (скорость, ускорение и т.д.). Основное внимание уделяется выходящим далеко за рамки механики фундаментальным законам сохранения импульса, энергии и момента импульса и их связи с симметриями пространства-времени. На примерах распада и столкновений релятивистских и нерелятивистских частиц демонстрируется мощь законов сохранения при анализе движения. После этого излагаются взаимно дополняющие друг друга термодинамический и статистический методы исследования строения и свойств вещества применительно к идеальному газу. Эти знания используются в последующих модулях. На основе изученных ранее понятий (работа силы, циркуляция, связь силы с потенциальной энергией и т. д.) изучаются свойства электрического заряда; взаимодействие неподвижных зарядов в вакууме и средах; основные свойства и законы переносчика этого взаимодействия электрического поля - теорема Гаусса и теорема о циркуляции; применение этих законов к расчету характеристик электростатического поля - напряженности и потенциала. Завершается первый модуль изложением законов постоянного тока.
В начале второго модуля, анализируется релятивистская природа магнитного поля. На основе постулатов теории относительности и инвариантности заряда, студентам показывается, что взаимодействие движущихся зарядов осуществляется не только кулоновской силой, но и магнитной силой, имеющей релятивистскую природу. Движущийся заряд создает вокруг себя магнитное поле, а на движущийся заряд в магнитном поле действует магнитная сила. Опираясь на выражение для индукции магнитного поля движущегося заряда, получают закон Био-Савара - Лапласа и рассматривают примеры его применения к расчету магнитных полей простейших систем проводников с токами. Затем из силы Лоренца выводят силу Ампера и рассматривают взаимодействие токов. Изучают основные свойства и законы магнитного поля в вакууме и веществе: теорему Гаусса для вектора индукции магнитного поля и теорему о циркуляции вектора индукции магнитного поля. После этого обсуждается закон электромагнитной индукции. Показывается, что электрическое и магнитное поля есть проявления единого электромагнитного поля. Завершается изучение электромагнетизма рассмотрением системы уравнений Максвелла для электромагнитного поля в средах, являющейся теоретическим обобщением основных законов электрических и магнитных явлений. В модуле излагается единый подход к рассмотрению колебаний и волн различной физической природы. Сначала изучают колебания дискретных маломерных механических и электрических систем, вводят модель гармонического осциллятора, затем - упругие механические волны и электромагнитные волны. Для вывода основных свойств электромагнитных волн, рассмотрения излучения и переноса энергии этих волн и элементов волновой оптики используют уравнения Максвелла. Завершается второй модуль изучением явлений, связанных с суперпозицией когерентных волн: стоячие волны, интерференция, дифракция.
В начале третьего модуля рассматривается проблема излучения абсолютно черного тела, фотоэффект и эффект Комптона, которые нельзя объяснить на основе волновых представлений об излучении и привели к открытию кванта энергии и корпускулярно- волнового дуализма свойств излучения. Затем излагается гипотеза де Бройля и её опытное подтверждение о наличии волновых свойств у частиц вещества и универсальности корпускулярно- волнового дуализма свойств материи, на основе которой Шредингер получил уравнение- фундамент современной квантовой физики. Далее на основе уравнения Шредингера изучаются элементы теории атомов, молекул и физики твердого тела. Завершается курс рассмотрением некоторых элементов физики ядра и элементарных частиц.
Чтение лекций всех модулей сопровождается лекционными демонстрациями, широкий набор которых имеется на кафедре.
Для успешного изучения курса студентам необходимо знать основы: линейной алгебры и аналитической геометрии, математического анализа функций одной или нескольких переменных, теории функций комплексного переменного, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных, теории вероятностей.
Все модули курса имеют практическую часть (практические занятия – 51 час, расчетно-графические задания – по одному в каждом модуле, физический практикум – 102 часа). На практических занятиях и в расчетно-графических работах студенты применяют знания основных законов и принципов физики при решении задач в стандартных и сходных ситуациях, осваивают методы, приёмы, общие для решения определенных групп задач. При этом формируются и развиваются умения: рассуждать, давать объяснения физических явлений на языке формул, образов (рисунки, графики); выбирать модель физического явления, отделив главное от несущественного; устанавливать связь между физическими величинами, описывающими явление; на основе зависимостей между величинами производить численные оценки; проводить аналитические вычисления. Решение задач способствует более глубокому пониманию физики и приобретению умений применять физические законы в реальной деятельности будущего инженера.
Физический практикум также является неотъемлемой, очень важной составной частью курса. На нём при выполнении лабораторных работ студенты изучают конкретные физические явления, формируют умения: строить модель явления, делая при этом необходимые допущения; планировать и проводить простые измерения физических величин и устанавливать зависимости между ними; сопоставлять результаты физического эксперимента с предсказаниями теории; делать выводы о совпадении результата эксперимента с тем, что предсказывает теория. Кроме того, на физическом практикуме студенты знакомятся с некоторыми измерительными приборами и приобретают навыки работы с ними, умения грамотно обрабатывать результаты эксперимента и представлять их в удобной для восприятия форме (таблицы, графики, гистограммы). Особое внимание уделяется освоению студентами методов расчёта погрешностей измерений, так как для получения наиболее полной информации при проведении любых физических экспериментов одинаково важно не только получить значение физической величины, но и оценить погрешность её измерения. Физический практикум способствует также активизации познавательной деятельности студентов при изучении курса физики и создаёт подготовительную основу для НИРС на старших курсах.
Для проведения лабораторных занятий и выполнения расчетно-графических заданий используются методические пособия и указания, составленные по всем модулям курса. Контрольные работы и экзамены проводятся с использованием специально разработанных для этой цели письменных заданий и вопросов к экзамену.
Оценка качества деятельности, а также знаний и умений студентов осуществляется по рейтинговой системе контроля обучения. Этим обеспечивается регулярность работы над курсом, поскольку итоговая оценка формируется как суммарный балл за различные виды деятельности в семестре (контрольные работы, домашние и расчетно-графические задания, лабораторные работы) и за итоговый экзамен в конце каждого семестра. Итоговые экзамены заключаются в выполнении письменных заданий из 10 вопросов и задач или устном ответе на экзаменационные билеты из известных студентам теоретических вопросов, выносимых на экзамен, и задач, аналогичных рассмотренным на практических занятиях. Проведение устного экзамена на первом курсе обосновывается необходимостью формирования у начинающих студентов умений излагать материал на языке слов, чётко формулировать определения физических величин, законов и принципов, применять логические приёмы мышления.
|
