3. ЦЕЛИ КУРСА
Изложенные выше требования ГОС и принципы построения курса физики определяют его цели, разработанные и принятые на кафедре Прикладной и теоретической физики.
Студент должен иметь представление:
1. о фундаментальном характере физики, структуре ее основных разделов и связи с другими дисциплинами.
2. о соотношении эмпирического и теоретического в познании и роли эксперимента в физике и её развитии.
3. об идеальных моделях, применяемых в различных разделах физики.
4. о границах применимости основных физических теорий.
5. о математическом аппарате, применяемом в различных разделах физики.
6. о новейших открытиях физики, перспективах их использования для создания новых технических устройств и технологий и возможных последствиях их применения с экологической точки зрения.
Студент должен знать:
7. определения физических величин и единиц их измерения.
8. методы измерения основных физических величин.
9. фундаментальные физические законы, принципы и модели физики.
10. математические методы, применяемые в различных разделах физики.
Студент должен уметь:
11. выделять главное в текстах учебников, лекциях по физике и представлять информацию о физическом явлении на языке знаков и символов (слов, формул и образов).
12. Использовать основные физические величины, описывающие явления и устанавливать связь между ними, выражая её аналитически, графически, словами.
13. излагать основной теоретический материал с объяснением и приведением примеров, используя при изложении язык слов, формул и образов (графики, рисунки, схемы, чертежи).
14. применять основные законы и принципы физики в стандартных и сходных ситуациях.
15. решать типовые задачи, делать простейшие качественные оценки порядков физических величин различных физических явлений.
16. строить теоретические модели физических явлений, делать при этом необходимые допущения и оценивать область применимости различных моделей.
17. планировать простые физические эксперименты и выполнять физические измерения.
18. Грамотно обрабатывать полученные результаты измерений, записывать их с учётом погрешности и представлять в удобной для восприятия форме (таблицы, графики, гистограммы).
19. Интерпретировать полученные результаты, делать выводы о совпадении (или несовпадении) результатов эксперимента с тем, что предсказывает теория.
20. Высказывать гипотезы о возможных причинах несовпадения результатов эксперимента с тем, что предсказывает теория.
Принципы построения и цели курса, в свою очередь, определяют структуру курса физики и его содержание.
4. СТРУКТУРА КУРСА
5. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
МОДУЛЬ 1: «МЕХАНИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
И ТЕРМОДИНАМИКА, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»
Лекции –51 ч, практические занятия – 17 ч, физический практикум – 34 ч,
Самостоятельная работа – 57 ч
содержание лекций модуля 1
Часы
|
Темы лекционных занятий
|
1
|
Предмет физики. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Методы физического исследования. Роль курса физики в техническом вузе. Цели и структура курса, его связь с другими дисциплинами учебного плана
|
2
|
Относительность движения. Равнодопустимость различных систем отсчета. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности. Неуничтожимость движения материи. Меры движения. Масса, полная энергия, импульс релятивистской свободной частицы и связь между ними. Кинетическая энергия (релятивистская и ньютоновская) и энергия покоя. Перемещение, скорость, ускорение
|
2
|
Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Пространство-время в специальной теории относительности. Преобразования Лоренца и их следствия: относительность одновременности, замедление темпа хода времени движущихся часов, сокращение длины движущихся предметов, релятивистский закон сложения скоростей
|
2
|
Инварианты преобразований Лоренца: интервал и собственное время, масса. Принцип соответствия. Переход преобразований Лоренца в преобразования Галилея при медленных (по сравнению со скоростью света) скоростях движения
|
2
|
Законы динамики Ньютона. Силы в механике. Система частиц. Система центра инерции и закон движения центра инерции. Законы сохранения импульса и энергии системы свободных частиц и их применение к анализу движения: распады и столкновения релятивистских и нерелятивистских частиц. Эквивалентность и различие массы и энергии
|
2
|
Взаимодействия. Силовая картина взаимодействия. Работа и мощность. Теорема о приращении кинетической энергии. Циркуляция силы. Потенциальные (консервативные) силы. Полевая картина взаимодействия. Потенциальная энергия. Примеры потенциальных силовых полей: поле сил тяготения, поле упругих сил деформации. Связь между силой и потенциальной энергией.
|
2
|
Полная механическая энергия частиц в потенциальном поле. Закон сохранения энергии в механике. Одномерное движение в потенциальных силовых полях. Финитное и инфинитное движение
|
2
|
Момент импульса частицы и системы частиц. Момент силы. Законы изменения и сохранения момента импульса. Связь законов сохранения импульса, энергии и момента импульса с симметриями пространства-времени
|
2
|
Вращение твердого тела. Элементы кинематики вращательного движения твердого тела: векторы элементарного угла поворота, угловой скорости и углового ускорения и их связь с линейными характеристиками движения.
|
2
|
Вращение твердого тела вокруг фиксированной оси. Момент импульса твердого тела относительно оси вращения. Момент инерции. Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Закон сохранения момента импульса при вращении твердого тела вокруг фиксированной оси
|
2
|
Кинетическая энергия вращательного движения твердого тела. Работа при вращательном движении. Плоское движение твердого тела. Свободные оси вращения и главные моменты инерции. Гироскопы и их применение. Аналогия между характеристиками поступательного и вращательного движения
|
2
|
Термодинамический и статистический методы описания тепловых свойств вещества. Тепловое движение. Хаотичность. Термодинамическая вероятность. Статистическое определение энтропии
|
2
|
Термодинамическое равновесие. Описание состояния вещества с помощью набора макроскопических термодинамических параметров: давления, температуры, объема. Статистический смысл абсолютной температуры и давления. Диаграммы состояний. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа
|
2
|
Закон равнораспределения энергии по классическим степеням свободы. Внутренняя энергия. Два способа передачи энергии веществу: теплота и работа. Первое начало термодинамики и его применение к анализу изопроцессов. Теплоемкость идеального газа, её зависимость от процесса. Адиабатический процесс.
|
2
|
Понятие о функции распределения. Статистическое распределение Максвелла по абсолютным значениям скоростей и по кинетическим энергиям. Опыт Штерна
|
2
|
Идеальный газ во внешнем поле, барометрическая формула. Статистическое распределение Больцмана. Распределение Максвелла-Больцмана. Опыт Перрена
|
2
|
Обратимые и необратимые процессы. Циклический процесс. Анализ идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно. КПД тепловых машин и эффективность холодильных машин
|
2
|
Равенство Клаузиуса для обратимых циклических процессов и энтропия – функция состояния вещества. Неравенство Клаузиуса для необратимых циклических процессов. Различные формулировки второго начала термодинамики и их эквивалентность. Неубывание энтропии теплоизолированных термодинамических систем
|
2
|
Электростатическое взаимодействие. Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции. Поток вектора  . Электростатическая теорема Гаусса.
|
2
|
Методы расчета электростатических полей с помощью электростатической теоремы Гаусса и с использованием принципа суперпозиции. Поле равномерно заряженной плоскости, сферы, цилиндра.
|
2
|
Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал. Связь между напряженностью и потенциалом. Силовые и эквипотенциальные поверхности.
|
2
|
Электрический диполь и его электростатическое поле. Диполь во внешнем электростатическом поле
|
2
|
Электростатическое поле в средах. Поляризация диэлектриков. Поляризованность  . Вектор электрического смещения  . Диэлектрическая проницаемость. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Граничные условия для векторов и.
|
2
|
Проводники в электрическом поле. Электростатическое поле внутри проводника и у его поверхности. Электроёмкость. Конденсаторы. Расчет электроёмкостей конденсаторов различной геометрической конфигурации.
|
2
|
Энергия взаимодействия системы электрических зарядов, системы заряженных проводников и конденсатора. Энергия и плотность энергии электрического поля
|
2
|
Электрический ток, сила тока, плотность тока. Условия существования электрического тока. ЭДС, напряжение. Законы Ома и Джоуля - Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Электрические цепи. Законы Кирхгофа.
|
Содержание практических занятий модуля 1
Часы
|
Темы, задачи
|
Деятельность студента. Решая задачи, студент:
|
2
|
Импульс. Изменение импульса.
|
использует векторную алгебру и анализ для нахождения при движении материальной точки.
Анализирует связь вектора изменения импульса с вектором силы.
|
2
|
Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца.
|
используя преобразования Лоренца, анализирует эффекты замедления времени и сокращения масштабов движущихся тел в различных физических процессах.
применяет закон сложения скоростей
|
2
|
Законы сохранения импульса и энергии. Распад и столкновения.
|
Выбирает систему отсчета.
применяет законы сохранения импульса и энергии для анализа процессов распада релятивистских частиц
Применяет связь между полной энергией, импульсом и массой свободной релятивистской частицы для наглядного представления распада частицы в виде треугольника распада.
Анализирует эквивалентность и различие массы и энергии.
|
4
|
Вращательное движение. Законы сохранения момента импульса и энергии.
|
Анализирует выполнение условий сохранения момента импульса и энергии в рассматриваемых задачах.
Рассчитывает моменты инерции простейших тел, применяет теорему Штейнера.
применяет законы сохранения момента импульса, импульса и энергии для анализа движения сталкивающихся стержней, гантелей и т.д.
Проводит аналогию между характеристиками и законами вращательного и поступательного движений.
Использует основное уравнение динамики вращательного движения для решения задач.
|
2
|
Первое начало термодинамики:
анализ изопроцессов.
|
применяет первое начало термодинамики и уравнение состояния для анализа различных изопроцессов, происходящих с идеальным газом
рассчитывает работу, внутреннюю энергию, количество теплоты и теплоёмкости в различных изопроцессах.
вычисляет изменение энтропии в различных процессах.
|
3
|
Расчёт электростатических полей. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса.
|
Использует принцип суперпозиции для расчёта напряжённости и потенциала электростатических полей различных распределений зарядов.
Применяет формулу, связывающую потенциал с напряженностью.
|
Содержание физического практикума модуля 1
Часы
|
Тема лабораторных занятий.
|
Деятельность студента. В процессе выполнения лабораторной работы студент:
|
4
|
Вводное занятие.
Обработка результатов прямых многократных измерений.
|
Учится оформлять протокол л.р.
Изучает различные виды погрешностей.
Рассчитывает среднее значение измеряемой величины.
Осваивает построение гистограмм.
|
4
|
Измерение времени соударения упругих тел.
|
Рассматривает взаимодействие тел в системе СЦИ.
Учится использовать допущения при построении физических моделей.
Выбирает оси координат для удобного графического представления полученных результатов.
|
4
|
Измерение начальной скорости пули с помощью баллистического маятника.
|
Использует законы сохранения энергии и импульса для объяснения полученных результатов.
Получает оценку стандартного отклонения и использует ее при построении графика.
|
4
|
Изучение вращательного движения маятника Обербека.
|
Применяет основное уравнение вращательного движения для объяснения изучаемого явления.
Проводит оценку стандартного отклонения величины углового ускорения.
|
4
|
Определение момента инерции маятника Обербека.
|
Учится определять моменты инерции тел сложной формы.
Осваивает построение графиков в нетрадиционных координатах.
|
4
|
Определение отношения теплоемкостей методом Клемана и Дезорма.
|
Определяет отношение теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме.
Объясняет с физической точки зрения различие между молярными теплоемкостями при постоянном объеме и постоянном давлении.
|
4
|
Изучение электрического поля.
|
Собирает простейшие электрические цепи.
По результатам эксперимента строит картину силовых и эквипотенциальных линий.
Объясняет поведение силовых линий на границе раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью.
|
4
|
Изучение работы источника питания.
|
Исследует зависимость полезной мощности и потерь мощности от внешнего сопротивления и внутреннего сопротивления источника.
|
Расчетно-графическое задание модуля 1
Темы расчетно-графического задания.
|
Деятельность студента. Решая задачи, студент:
|
Механика поступательного и вращательного движения. Релятивистская механика.
Задание выдается по методическим указаниям «Механика, молекулярная физика, термодинамика», НГТУ, 2007 г.
|
Выполняет чертежи, без которых условия задач не всегда могут быть поняты.
Представляет полученный результат в системе СИ.
Проводит решения, используя алгоритмы, рассмотренные на практических занятиях.
|
Термодинамика, молекулярная физика. Задание выдается по методическим указаниям «Механика, молекулярная физика, термодинамика», НГТУ, 2007 г.
|
Графически представляет результаты расчета.
Использует основные представления молекулярно-кинетической теории газов, первое и второе начала термодинамики.
|
На выполнение расчётно-графического задания отводится десять недель. Задание выполняется в отдельной тетради и сдаётся лектору на проверку. После проверки работы преподавателем осуществляется её защита, затем выставляется окончательная оценка по 15-ти бальной шкале, которая учитывается при сдаче экзамена.
|
