3.1. Учебно-методическое обеспечение
изучения теоретического курса
Методические рекомендации для самостоятельного изучения теоретического материала. Самостоятельная работа студентов по изучению теоретического материала состоит из:
а) просмотра конспектов лекций, уточнения и доработки их на основе информации, полученной при проработке учебной литературы; написания отчетов к лабораторным работам и других источников;
б) изучения вопросов вынесенных в раздел самостоятельной работы;
в) проведения студентами самоконтроля.
№ п/п
|
Тема
|
Рекомендуемая литература
|
Учебный материал для самостоятельной работы
|
1
|
Предмет физики. Метод познания в физике. Эксперименты и теории. Роль математики. Физические законы. Понятие факта в физике. Модели. Прямые и обратные задачи физики. Размерности физических величин
|
[1], [2]
|
|
2
|
Движение как главная форма существования материи. Пространство и время. Способы описания состояния тела и системы тел. Системы отсчета и координат. Роль и принципы выбора систем координат. Скорость и ускорение как производные. Поступательное и вращательное движения как основные виды движений. Угловые скорость и ускорение, нормальное и тангенциальное ускорения. Инерциальные системы и равноправность покоя и равномерного прямолинейного движения.
|
[1], [2]
|
|
3
|
Сила и масса, суперпозиция сил. Первый и второй законы Ньютона. Уравнения движения, роль начальных условий, принцип детерминизма. Движение тел в поле сил тяготения, явление невесомости. Импульс, закон сохранения импульса для механической системы, третий закон Ньютона. Взаимодействие тел через поле. Общая формулировка закона сохранения импульса. Кинетическая энергия материальной точки, связь ее с компонентами вектора импульса. Работа и потенциальная энергия. Работа перемещения материальной точки по криволинейному пути. Потенциальные силы, введение понятия потенциала для взаимодействующих тел. Потенциальная функция, потенциальная поверхность. Связь компонент силы и потенциальной функции. Потенциальная яма и условие устойчивого равновесия.
|
[1], [2], [10]
|
|
4
|
Момент силы. Динамика вращения точки и тела вокруг постоянной оси, понятие о моменте инерции материальной точки и тела. Уравнение движения вращающегося вокруг неподвижной оси тела. Момент импульса, связь его компонент с кинетической энергией вращения. Изменение момента инерции тела при переносе оси вращения. Главные моменты инерции и устойчивость вращения тел. Закон сохранения момента импульса тела и системы тел. Особенности конструкции вертолетов. Гироскопы и их применение. Центр масс и уравнение его движения. Разделение поступательных и вращательных движений твердого тела. Пара сил. Система уравнений для движения твердого тела и его кинетическая энергия. Закон сохранения энергии и его связь с равномерностью течения времени.
|
[1], [2]
|
|
5
|
Принцип относительности в физике. Релятивистский импульс. Преобразование энергии-импульса. Масса и ее связь с энергией покоя. Масса сложной системы и ее связь с энергией взаимодействия частей. Неаддитивность массы. Дефект массы и энергетика. Кинетическая энергия в релятивистской механике. Уравнение движения материальной точки в релятивистской механике. Движение материальной точки под действием постоянной силы. Скорость света как предельная скорость. Частицы с нулевой массой покоя. Принцип эквивалентности и теория происхождения сил всемирного тяготения.
|
[1], [2]
|
|
6
|
Повторяемость колебательных процессов, их математическое описание. Периодические функции. Кинематика гармонических колебаний, их частота, период, амплитуда и фаза. Сложение гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний с близкими частотами. Биения. Дифференциальное уравнение, решениями которого служат гармонические колебания. Колебание грузика, закрепленного на пружине. Связь кинематических параметров гармонических колебаний с физическими характеристиками. Закон сохранения энергии при гармонических колебаниях. Примеры малых колебаний. Затухающие колебания. Вынужденные колебания и явление резонанса. Понятие об автоколебаниях. Колебания в системах со многими степенями свободы. Плоские волны, их математическое описание. Скорость распространения волны. Дифференциальное уравнение, решением которого служат плоские волны. Плоские монохроматические волны, их частота, период, скорость, амплитуда, волновой вектор. Поляризация плоских волн. Продольные и поперечные волны. Распространение упругих волн в стержнях. Связь кинематических параметров волн с физическими характеристиками. Звуковые волны. Скорость звука в воздухе. Энергия волн. Сложение волн. Стоячие волны.
|
[1], [3], [11]
|
Интерференция волн. Огибание волнами препятствий – дифракция волн.
|
7
|
Элементы статистической и молекулярной физики. Микроскопические и макроскопические явления. Идеальный газ как статистическая система многих частиц. Обобщенные характеристики состояния газа. Равновесные и неравновесные состояния. Обратимые и необратимые процессы. Диаграмма давление-объем. Экспериментальные газовые законы, уравнение состояния идеального газа. Вывод уравнения состояния идеального газа на основе кинетических представлений.
|
[1], [4]
|
|
8
|
Физический смысл понятия термодинамической температуры. Распределение энергии по степеням свободы. Распределения Максвелла и Больцмана, барометрическая формула.
|
[1], [4]
|
|
9
|
Диффузия, диффузия через мембраны, осмос, осмотическое давление и его роль в жизнедеятельности растений. Теплопередача. Внутреннее трение. Выражение неравновесных процессов через обобщенные термодинамические силы.
|
[1], [4]
|
|
10
|
Давление газа на стенку сосуда. Среднее число ударов молекул о стенку. Определение Перреном числа Авогадро. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы. Квантовый осциллятор.
|
[1], [4]
|
Тема изучается полностью самостоятельно.
|
11
|
Уравнение Ван-дер-Ваальса, критическая точка, реальные изотермы, сжижение газов. Жидкости, поверхностное натяжение в жидкостях, охлаждение жидкости при испарении, терморегуляция растений и животных. Смачивающие и несмачивающие жидкости. Капиллярные явления, формула Лапласа.
|
[1], [4]
|
|
12
|
Флуктуации и самоорганизация при фазовом переходе газ-жидкость
|
[1], [4]
|
Тема изучается полностью самостоятельно.
|
13
|
Первое начало термодинамики, изопроцессы, адиабатический процесс, охлаждение газов при адиабатическом расширении и получение низких температур. Уравнение Пуассона и его вывод. Классическая теория теплоемкостей, причины отклонения реальных теплоемкостей как функции температуры от результатов классической теории. Работа идеального газа в различных процессах.
|
[1], [4]
|
|
14
|
Обратимые и необратимые циклы. Тепловые машины и цикл Карно, второе начало термодинамики. Компрессионные холодильники и тепловые насосы.
|
[1], [4]
|
|
15
|
Энтропия, внутренняя энергия, энтальпия, термодинамический потенциал Гиббса. Формула для энтропии идеального газа. Теорема Карно и обобщение понятия энтропии как термодинамического потенциала. Связь энтропии с микросостояниями идеального газа. Статистическое толкование энтропии. Энтропия и степень вырождения системы. Формула Больцмана. Энтропия и информация. Возрастание энтропии при необратимых процессах на примере выравнивания температуры двух находящихся в контакте нагретых тел и при выравнивании давлений в двух частях сосуда с газом.
|
[1], [4]
|
|
16
|
Первое и второе начала термодинамики и живые организмы.
|
[1], [7]
|
Тема изучается полностью самостоятельно.
|
3.2. Основная и дополнительная литература
Основная:
Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы: - 2-е изд., доп. . - Москва : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. Имеется электронная версия. Доступ из локальной сети СФУ
http://liber.lib.sfu-kras.ru/phpopac/get_url.php?part=ft_sfu/b22p/0048322.pdf
Механика. Лабораторный практикум под ред. В. К. Барановой. Красноярск: Красноярский государственный университет, 2005. (в библиотеке СФУ 99 экз.)
В. К. Баранова. Общая физика. Молекулярная физика: сб. метод. указ. к лаборатор. работам, Красноярск. 2003. (в библиотеке СФУ 178 экз.)
Дополнительная:
Карери Д. Порядок и беспорядок в структуре материи. - М.: Мир, 1995 г.
Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. Вып.1-4. – М.: Мир, 1977.
Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. – М.: Мир, 1987.
Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. – М.: Наука, Главн. ред. ф.м.л., 1988.
Горелик С.Г. Колебания и волны. – М.: Физматлит, 2007
Киттель Ч., Наит У., Рудерман М.. Берклеевский курс физики. Механика. – М.: Наука, 1976.
Справочная:
Физические величины. Справочник/Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.
Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1963.
Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. М.: Изд-во МГУ, 1977.
Л.Т.Сухов, Обработка и анализ экспериментальных данных. Красноярск, КГУ, 2006.
Физический энциклопедический словарь. – М.: 1974.
3.3. График учебного процесса по теоретическому курсу
Модуль 1
-
Виды,
работы,
формы контроля,
аттестация
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
|
|
|
|
|
|
|
Недели
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
Виды,
работы,
формы контроля,
аттестация
|
ТО
|
ТО
|
|
|
Недели
|
8
|
9
| Модуль 2
Модуль 3
Виды,
работы,
формы контроля,
аттестация
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ТО
|
ИРК
|
|
|
|
|
|
|
Недели
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
17
|
Принятые аббревиатуры: ТО – теоретическое обучение, ИРК – итоговый рейтинг-контроль (экзамен).
3.4. Итоговый контроль
Формой итогового контроля является зачет. Для получение зачета нужно ответить на два теоретических вопроса и выполнить план по лабораторным работам, то есть выполнить и защитить 5 лабораторных работ.
3.5. Вопросы для самоконтроля
Модуль 1
Дайте определение радиус-вектора точки и ее координат.
Что называется скоростью и ускорением движущейся точки?
Чему равны скорость и ускорение точки в прямоугольных декартовых координатах?
Каковы основные кинематические характеристики движения по окружности?
Как определяется и что характеризует тангенциальное ускорение точки?
Как определяется и что характеризует нормальное ускорение точки?
Какие бывают системы отсчета?
Сформулируйте три основных закона динамики.
В чем состоит различие внешних и внутренних сил, действующих в системе частиц?
Что называется инертностью тела и какой величиной измеряется это свойство тела?
Какие модели реальных тел используются в механике?
Что называется импульсом тела?
Что утверждает теорема об изменении импульса?
Что называется моментом импульса материальной точки?
Приведите формулировку теоремы об изменении кинетической энергии тела.
Что называется механической системой?
Дайте определение центра масс системы тел.
Какова связь между скоростью центра инерции и импульсом системы?
В каких случаях импульс системы сохраняется? Приведите примеры.
Какое движение характеризует момент импульса системы?
Что такое момент инерции тела? Каков смысл введения этой величины?
Чему равны моменты инерции шара, цилиндра, параллелепипеда?
Напишите формулу для кинетической энергии вращающегося тела.
В чем состоит принцип относительности?
В чем состоит принцип относительности Галилея?
Напишите преобразования Галилея и поясните, как они получаются. Какую роль играют ньютоновские представления о пространстве и времени?
Пользуясь преобразованием Галилея, получите закон сложения скоростей.
Модуль 2
Какие движения называются колебательными?
Какие колебания называются гармоническими? негармоническими?
Перечислите физические величины, характеризующие гармоническое колебательное движение. Что такое фаза колебания и что она определяет? Что определяет начальная фаза? Что такое частота колебаний ν и что такое циклическая (круговая) частота ω? Как связаны между собой величины ν и ω?
Чему равна амплитуда, период и начальная фаза следующего колебания:  ?
Каковы амплитуды скорости и ускорения материальной точки, совершающей гармоническое колебание по следующему закону: 
При каких условиях два гармонических колебания «погасят» друг друга полностью? частично?
Даны два колебания:  ,  . Чем различаются эти колебания? Какова разность фаз между ними? Будет ли разность фаз равна разности начальных фаз? Чему будет равна амплитуда результирующего колебания, если эти два колебания сложить?
Напишите общее выражение для амплитуды результирующего колебания, полученного при сложении двух колебаний одной частоты, совершающихся вдоль одной прямой. При каком условии амплитуда результирующего колебания будет равна сумме амплитуд составляющих колебаний? модулю их разности?
Какие колебания называются биениями? при каких условиях они получаются? Выведите формулу биений. Чему равна частота биений?
Какое движение совершает точка, если она одновременно участвует в двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаниях с одинаковыми частотами? При каких условиях траекторией движения будет прямая и при каких — окружность? При каких условиях движение по окружности будет происходить по часовой стрелке?
Что называют фигурами Лиссажу и как их можно получить на опыте? Можно ли по виду фигуры Лиссажу установить соотношение частот складываемых колебаний? Какая фигура получится при сложении двух колебаний одинаковой частоты?
Какие колебательные системы называются математическим и физическим маятниками? Выведите формулы для периода колебаний маятников.
Зависит ли период колебаний от амплитуды? Что называют приведенной длиной физического маятника? Почему период математического маятника не зависит от массы, а период физического маятника зависит от момента инерции?
Чему равна кинетическая и потенциальная энергии колебательной системы? Как они изменяются во времени? Чему равна полная энергия системы? В каких случаях она остается постоянной?
Какие колебания называют затухающими? Что понимают под периодом затухающих колебаний?
Почему период затухающих колебаний увеличивается с ростом затухания?
Какие колебания системы называются собственными и какие вынужденными? Какие колебания называются свободными?
Что называют механической волной? Какими свойствами должна обладать среда, чтобы в ней были возможны волны?
Что такое бегущая волна? Стоячая волна? Что такое синусоидальная волна?
Существуют ли, кроме поперечных и продольных, другие типы механических волн? Почему в жидкостях и газах поперечные волны невозможны?
Что называют скоростью волны? Как качественно объяснить зависимость скорости волны от модуля Юнга и плотности среды?
Что называют длиной волны?
Модуль 3
Перечислите основные положения молекулярно-кинетической теории
Приведите известные доказательства существования молекул.
Что называется относительной атомной массой?
Что называют количеством вещества?
Дайте определение единицы количества вещества – моля.
Чему равна постоянная Авогадро?
Дайте определение молярной массы.
Как силы взаимодействия между молекулами зависят от расстояния между ними?
В чем различие молекулярного строения газов, жидкостей и твердых тел?
Что называют дальним и ближним порядком?
Что называют идеальным газом?
Что отражает основное уравнение молекулярно-кинетической теории?
Какие преимущества имеет абсолютная шкала температур по сравнения с другими шкалами?
Каков физический смысл абсолютного нуля температур?
Чему равен абсолютный нуль температуры по шкале Цельсия?
Сформулируйте уравнение Менделеева–Клапейрона.
Чему равна универсальная газовая постоянная?
Перечислите изопроцессы. Как называются соответствующие графики этих процессов.
Что называют степенями свободы молекул?
От каких величин зависит внутренняя энергия тела?
Чему равна внутренняя энергия идеального одноатомного газа?
Почему газ при сжатии нагревается?
Чему равна работа, совершаемая внешними силами при сжатии и расширении тел?
Что называют количеством теплоты?
Как формулируется первый закон термодинамики?
Какой процесс называют адиабатным?
Какие процессы называют необратимыми?
Сформулируйте второй закон термодинамики.
Какое устройство называют тепловым двигателем?
Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела теплового двигателя?
Что называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя?
Как можно повысит коэффициент полезного действия теплового двигателя?
Может ли система совершить работу, не получив при этом энергию извне путем теплообмена?
Приведите примеры необратимости явления диффузии.
Приведите примеры необратимости явления теплообмена.
Может ли энергия путем теплообмена переходить от холодного тела к более теплому?
4. Лабораторные занятия
4.1. Методика проведения лабораторного практикума
Каждый студент должен научиться:
готовить реферативную часть работы по литературным источникам;
планировать экспериментальную часть так, чтобы точность измерений соответствовала поставленной цели;
учитывать условия появления систематических погрешностей и принимать меры для их устранения;
вести запись измерений и расчетов аккуратно, ясно и кратко;
оценивать точность окончательного результата;
давать конкретное изложение результатов работы;
анализировать результаты эксперимента и делать обоснованные выводы с убедительным аргументированием.
Лабораторный практикум – это такой вид учебной деятельности, на котором студенту предоставляется наибольшая самостоятельность по сравнению с другими видами. В связи с этим очень важно организовать эту деятельность. В лаборатории механики студенты выполняют 3 работы, а в лаборатории молекулярной физики – 3. Для лабораторного практикума студентами используются методические пособия, написанные для студентов физической специализации, при этом из всех работ пособия выбираются те работы, которые максимально позволяют проиллюстрировать на практике изучаемые темы теоретического курса. Методическое обеспечение физического практикума состоит из указаний к отдельным работам и «Руководства по обработке и оформлению результатов эксперимента в лаборатории»
Каждое методическое указание к лабораторной работе содержит следующие части:
название темы;
цель работы;
краткую теорию изучаемого физического явления;
описание метода наблюдения и электрическую схему установки;
подготовку и порядок выполнения работы;
указание мер безопасности;
задания, определяющие характер и объем эксперимента;
приложение, содержащее табличные значения физических величин, технические данные и принцип работы сложных электроизмерительных приборов.
В руководстве к лабораторным работам изложен алгоритм студенческого отчета по лабораторной работе, разработанный на кафедре общей физики. Он составлен на основании стандартов, предъявляемых к отчету по научно-исследовательской работе. В соответствии с ним, форма отчета состоит из трех частей:
реферативной (описание последовательности подготовки к работе);
экспериментальной (описание хода работы и обработки результатов);
выводов (краткое содержание объема выполненной работы, анализ полученных результатов).
Для оценки объема и качества усвоенного материала и активизации учебной деятельности студентов используется модульно-рейтинговая система.
4.2. Список лабораторных работ и содержание
В данном параграфе номера работ приводятся в соответствии с нумерацией, используемой в методических пособиях. Приведены только работы, выполняемые в ходе практикума студентами направления "Биология".
Модуль 1
Лабораторная работа № 1. Измерение времени реакции человека. Цель работы: определить время собственной реакции студента; ознакомиться с методами статистической обработки результатов измерения.
Лабораторная работа № 2. Измерение линейных величин методом нониуса. Цель работы: ознакомитьcя с различными методами измерения линейных размеров предметов, оценить точность этих измерений и определить погрешность.
Лабораторная работа № 5. Измерение удельного электрического сопротивления провода. Цель работы: измереть удельное сопротивление провода, закрепить навыки расчета погрешностей при измерении линейных размеров и электрических величин.
Лабораторная работа № 11. Измерение ускорения свободного падения с помощью простого маятника (Бесселя). Цель работы: определить ускорение свободного падения с помощью простого маятника, оценить погрешность измерения.
Лабораторная работа № 12. Измерение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника. Цель работы: определение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника, оценка погрешности измерения.
Лабораторная работа № 13. Измерение ускорения свободного падения с помощью машины Атвуда. Цель работы: определить ускорение свободного падения с помощью маятника Атвуда; оценить погрешность измерений.
Лабораторная работа № 14. Изучение вращательного движения с помощью крес-тообразного маятника Обербека. Цель работы: проверка основного уравнения вращательного движения на крестообразном маятнике Обербека.
Лабораторная работа № 15. Изучение вращательного движения с помощью маятника Максвелла. Цель работы: познакомиться со сложным движением твердого тела на примере маятника Максвелла. Определить момент инерции металлических колец.
Лабораторная работа № 16. Изучение моментов инерции твердых тел с помощью трифилярного подвеса. Цель работы: ознакомиться с методом определения момента инерции твердого тела с помощью трифилярного подвеса, определить моменты инерции тел различной формы.
Лабораторная работа № 23. Исследование упругих и неупругих столкновений шаров. Цель работы: изучение законов сохранения импульса и энергии на примере упругих и неупругих соударений шаров, подвешенных на нитях.
Модуль 2
Лабораторная работа № 7. Изучение электронного осциллографа. Цель работы: ознакомиться с принципом действия электронного осциллографа и методами осциллографирования физических процессов, получить практические навыки работы с осциллографами, изучить гармонические колебания.
|
Модуль 3
Лабораторная работа 1. Определение размеров молекулы олеиновой кислоты. Цель работы: оценить продольные и поперечные размеры молекул олеиновой кислоты.
|
Лабораторная работа 2. Изучение процесса откачки газа механическим насосом. Цели работы: ознакомиться с методами получения вакуума и основными параметрами вакуумных насосов; изучить устройство и действие механических масляных насосов; получить навыки аналитического и графического описания политропических процессов при откачке газа; экспериментально определить основные параметры механического форвакуумного насоса: предельный вакуум, быстроту откачки, рабочий объем камеры, вредный объем насоса.
|
Лабораторная работа 3. Определение удельных теплоемкостей СР/Сv в воздухе методом Клемана-Дезорма. Цели работы: изучить политропические процессы в газе; освоить метод Клемана-Дезорма для определения отношения теплоёмкостей γ; по результатам эксперимента рассчитать величину γ для воздуха.
|
Лабораторная работа 11. Изучение течения газа через узкую трубку.Цели работы: изучить элементарную теорию вязкостного течения газа через узкую трубку; ознакомиться с методикой экспериментального определения динамической вязкости газа на основе формулы Пуазейля; определить коэффициент вязкости воздуха, а также коэффициенты самодиффузии и теплопроводности; оценить величину свободного пробега и эффективный диаметр молекул газа на основе экспериментальных измерений вязкости воздуха.
|
| |
