Семестр 1
(количество модулей – 3)
|
Модуль I «Физические основы механики»
Цель: ознакомление студентов с основными явлениями и законами релятивистской и нерелятивистской механики, формирование навыков и умений их применения при решении практических задач в электроэнергетике и электротехнике.
|
№
п/п
|
Наименование раздела дисциплины, входящего в данный модуль.
|
Содержание раздела
|
аудиторная работа
|
СРС
|
|
Введение
|
Материя, её виды и формы существования. Физический объект, физическое явление, физический закон, физическая теория. Методы физических исследований. Экспериментальные и теоретические методы в физике. Роль модельных представлений в физике. Физические величины, их измерение и оценка точности и достоверности полученных результатов.
|
Системы единиц физических величин.
|
1.1
|
Кинематика
|
Нормальное и тангенциальное ускорение. Кинематика вращательного движения, связь линейных и угловых характеристик.
Пространство и время в механике Ньютона. Системы координат и их преобразования.
Физический смысл производной и интеграла.
|
Основные виды движения и их кинематические характеристики: скорость и ускорение.
Примеры различных видов движения с\х машин и их агрегатов.
|
1.2
|
Динамика
|
Уравнение движения материальной точки. Третий закон Ньютона и закон сохранения импульса.
Интегрирование уравнений движения, роль начальных условий. Центр масс механической системы, закон движения центра масс. Движение тел с переменной массой.
Границы применимости классической механики
|
Инерциальные системы отсчета и первый закон Ньютона. Масса, импульс, сила.
Второй закон Ньютона.
Третий закон Ньютона. Закон всемирного тяготения. Силы трения. Уравнение Мещерского. Формула Циолковского.
|
1.3
|
Момент импульса
|
Момент импульса материальной точки и механической системы.
Момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса
механической системы.
|
Движение в поле центральных сил. Законы Кеплера
|
1.4
|
Закон сохранения
энергии
|
Консервативные и
диссипативные силы. Работа и кинетическая энергия. Закон сохранения
полной механической энергии в поле потенциальных сил.
Связь между силой и потенциальной энергией. Градиент скалярной
функции.
|
Сила и механическая работа. Кинетическая и потенциальная энергия.
Примеры использования закона сохранения механической энергии при работе с/х машин.
Столкновения тел. Абсолютно упругое столкновение.
|
1.5
|
Динамика вращательного движения твердого тела.
|
Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела
с закрепленной осью вращения. Момент импульса твердого тела. Момент инерции.
Теорема Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела.
|
Использование законов динамики твердого тела в работе агрегатов с/х машин.
Гироскопические силы. Гироскопы и их применение в технике.
|
1.6
|
Элементы механики сплошных сред
|
Общие свойства жидкостей и газов. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли.
Кинематическое описание движения жидкости. Векторные поля. Уравнения движения и равновесия
жидкости.
Энергия упругих деформаций твердого тела.
|
Идеально упругое тело. Упругие
напряжения и деформации. Закон Гука. Модуль Юнга.
Деформации твердого тела и выбор материалов для деталей машин.
|
1.7
|
Релятивистская
механика
|
Принцип относительности и преобразования Галилея.
Неинвариантность электромагнитных явлений относительно преобразований Галилея. Постулаты специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Относительность одновременности и преобразования Лоренца. Взаимосвязь массы и энергии в СТО. Преобразование скоростей в релятивистской кинематике. Сохранение
релятивистского импульса. Релятивистская энергия.
|
Парадоксы релятивистской кинематики: сокращение длины и
замедление времени в движущихся системах отсчета.
СТО и ядерная энергетика.
Основные положения и применение общей теории относительности.
|
Модуль II «Механические колебания и волны»
Цель: ознакомление студентов с основами физики колебаний и волн, изучение процессов, происходящих при механическом колебательном движении, и обучение решению практических задач.
|
2.1
|
Механические
колебания
|
Свободные незатухающие колебания. Гармонические колебания. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Энергия и импульс гармонического осциллятора.
Фазовая траектория. Сложение гармонических колебаний одного с равными и близкими частотами. Биения.
Физический маятник. Квазиупругая сила. Свободные затухающие колебания.
Логарифмический декремент колебаний. Добротность колебательной системы. Постоянная времени.
|
Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний равных и кратных частот. Фигуры Лиссажу.
Вынужденные колебания. Установившиеся вынужденные колебания. Механический резонанс.
Роль механических колебаний в работе с\х техники.
|
2.2
|
Механические волны
|
Виды механических волн.
Волновое уравнение. Плоская гармоническая волна, длина волны, фазовая скорость. Сферические волны. Энергия упругой волны.
Когерентные волны. Интерференция волн. Стоячая волна.
Распространение колебаний давления и плотности в среде. Типы волн. Бегущие волны. Продольные и поперечные волны. Уравнение бегущей волны.
Поток энергии в бегущей волне. Объемная плотность энергии волны. Вектор Умова.
|
Упругие волны в стержнях.
Волны смещений, скоростей, деформаций и напряжений. Волны на струне, в стержне, газах и жидкостях. Связь скорости волны с параметрами среды.
Основы акустики: основные характеристики звука, эффект Доплера; ультразвук; ударные волны.
|
Модуль III «Основы термодинамики и молекулярной физики»
Цель: ознакомление студентов с основными явлениями и законами термодинамики и молекулярной физики, формирование навыков и умений их применения при решении практических задач в агроинженерии.
|
3.1
|
Основные положения термодинамики
|
Термодинамическое равновесие и температура. Нулевое начало термодинамики. Эмпирическая температурная шкала. Квазистатические процессы. Уравнение состояния в термодинамике. Обратимые и необратимые процессы. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Уравнение Майера. Энтропия.
Термодинамические потенциалы и условия равновесия. Фазовые превращения. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критическая изотерма. Эффект Джоуля-Томсона.
Классическая теория теплоемкости твердых тел. Закон Дюлонга и Пти.
|
. Изохорический, изобарический, изотермический, адиабатический процессы в идеальных газах.
Преобразование теплоты в механическую работу. Цикл Карно и его коэффициент полезного действия.
Основы работы ДВС.
Связь теплоемкости идеального газа с числом степеней свободы молекул. Политропический процесс и его частные случаи.
|
3.2
|
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ).
|
Давление газа с точки зрения МКТ.
Распределение Максвелла для модуля и проекций скорости молекул идеального газа. Экспериментальное обоснование распределения Максвелла. Распределение Больцмана и барометрическая фор-
мула.
Наиболее вероятная, средняя и среднеквадратичная скорости.
|
Вывод распределений Максвелла и Больцмана из условия равновесного характера движения молекул.
Определение числа Авогадро методом Перрена.
|
3.3
|
Элементы физической кинетики
|
Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение.
Число столкновений и длина свободного пробега молекул идеального газа. Эмпирические уравнения переноса: Фика, Фурье и Ньютона.
|
Эффузия в разреженном газе.
Броуновское движение. Релаксация к состоянию равновесия.
|
3.4
|
Открытые системы.
|
Открытые диссипативные системы. Самоорганизация в открытых системах, роль нелинейности. Флуктуации. Бифуркации и катастрофы.
Идеи синергетики.
|
Примеры самоорганизации в живой и неживой природе.
Динамический хаос.
|
Семестр 2
(количество модулей – 3)
|
Модуль IV «Основы электромагнетизма»
Цель: ознакомление студентов с основными явлениями и законами электричества и магнетизма, формирование навыков и умений их применения при решении практических задач в агроинженерии.
|
4.1
|
Электростатика
|
Теорема Гаусса в дифференциальной и интегральной форме и ее применение для расчета электрических полей.
Дивергенция векторного поля. Теорема Стокса в интегральной и дифференциальной форме.
Циркуляция и ротор векторного поля. Уравнения Пуассона и Лапласа для потенциала. Теорема Ирншоу
|
Электрические заряды и их взаимодействие. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электростатического поля.
|
4.2
|
Проводники в электрическом поле
|
Равновесие зарядов в проводнике. Основная задача электростатики проводников. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля между проводниками.
Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Объемная плотность энергии электростатического поля.
|
Электростатическая защита. Емкость проводников и конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.
Применение конденсаторов.
|
4.3
|
Диэлектрики
в электрическом поле
|
Электрическое поле диполя. Диполь во внешнем электрическом поле.
Поляризация диэлектриков. Ориентационный и деформационный механизмы поляризации. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в однородном диэлектрике.
Дипольный момент системы зарядов. Вектор поляризаии (поляризованности) диэлектрика и его связь с объемной и поверхностной
плотностью связанных зарядов. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость.
|
Объемная плотность энергии электрического поля в диэлектрике. Подключение и отключение
конденсатора от источника постоянной э.д.с.
Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрики. Пироэлектрики. Электреты. Применение в АПК.
|
4.4
|
Постоянный
электрический ток.
|
Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности для плотности тока. Закон Ома в интегральной и дифференциальной формах. Закон Джоуля-Ленца. Закон Видемана-Франца. Электродвижущая сила источника тока. Правила Кирхгофа.
Классическая теория электропроводности металлов (теория Друде-Лоренца), условия ее применимости и противоречия с экспериментальными результатами. Максвелловская релаксация неоднородности заряда в проводнике.
|
Электрический ток в газах и жидкостях. Контактные электрические явления.
|
4.5
|
Магнитостатика
|
Магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца. Движение зарядов в электрических и магнитных полях.
Закон Био-Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции (закон полного тока).
Магнитное поле движущегося заряда. Поток и циркуляция магнитного поля. Дивергенция и ротор вектора магнитной индукции.
|
Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Эффект Холла и его применение.
|
4.6
|
Магнитное поле
в веществе
|
Магнитное поле и магнитный дипольный момент кругового тока.
Намагничение магнетиков. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Классификация магнетиков.
Вектор намагниченности и его связь с плотностью молекулярных токов. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость.
Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Граничные условия на
поверхности раздела двух магнетиков.
Объемная плотность энергии магнитного поля в веществе.
|
Природа ферромагнетизма. Применение ферромагнетиков.
Антиферромагнетики.
Ферриты. Их применение в технике и АПК.
|
Модуль V «Электромагнитное поле»
Цель: ознакомление студентов с теорией Максвелла электромагнитного поля, основными характеристиками электромагнитных колебаний, формирование навыков и умений применения приобретенных знаний при решении практических задач.
|
5.1
|
Электромагнитная
индукция и теория
Максвелла для электромагнитного поля
|
Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Уравнение электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность соленоида. Включение и отключение катушки от источника постоянной э.д.с.
Трансформаторы.
Энергия магнитного поля.
Физика электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Ток смещения.
Система уравнений Максвелла в интегральной и форме и дифференциальной физический смысл входящих в нее уравнений.
|
Опыты Фарадея (явление электромагнитной индукции).
Токи Фуко.
Вращение рамки в магнитном поле
Электродвигатели.
Трансформаторы и их применение.
|
5.2
|
Электромагнитные
колебания. Переменный ток
| Электрический контур. Электромагнитные колебания в идеальном контуре. Затухающие колебания в контуре с потерями.
Вынужденные колебания в последовательном и параллельном электрическом контуре. Волновое уравнение для электромагнитного поля, его общее решение.
Переменный ток. Резонанс напряжений. Резонанс токов. Мощность выделяемая в цепи переменного тока.
| Вынужденные колебания в последовательном и параллельном электрическом контуре. Колебания в связанных контурах. Длинные линии.
|
Модуль VI «Основы волновой оптики»
Цель: ознакомление студентов с основными характеристиками электромагнитных волн, явлениями и законами геометрической, волновой оптики, формирование навыков и умений для использования полученных знаний при решении практических задач. |
6.1
|
Электромагнитные
волны
|
Волновое уравнение для электромагнитного поля, его общее решение. Скорость распространения электромагнитных волн. Энергия и импульс электромагнитного поля.
Поляризация электромагнитных волн.
Вектор Умова-Пойнтинга. Излучение электромагнитных волн. Излучение электромагнитных волн ускоренно движущимися зарядами и диполем.
| Падение электромагнитной волны на поверхность раздела двух диэлектриков и поверхность металла. Скин-эффект.
Шкала электромагнитных волн. |
6.2
|
Элементы
геометрической оптики.
|
Основные законы оптики. Полное отражение.
Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз.
Основы фотометрии.
|
Абберации оптических систем в природе и технике.
Элементы электронной оптики.
|
6.3
|
Физические основы волновой оптики.
|
Интерференционное поле от двух точечных источников. Опыт Юнга.
Интерференция в тонких пленках.
Основное уравнение интерференции, роль когерентности.
Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на простейших преградах. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка как спектральный прибор.
Понятие о голографическом методе получения и восстановления изображений.
Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера на щели. Разрешающая способность ифракционной решетки.
Поляризация волн. Получение и анализ линейно-поляризованного света. Линейное двулучепреломление.
Отражение и преломление света на границе раздела двух диэлектриков.
Полное отражение и его применение в технике.
Поглощение и дисперсия волн. Нормальная и аномальная дисперсия.
Нелинейные процессы в оптике: самофокусировка света, генерация гармоник, параметрические процессы, вынужденное рассеяние.
|
Интерферометр Майкельсона.
Многолучевая интерференция.
Применение интерференции и дифракции света.
Понятие о рентгеноструктурном анализе.
Запись и воспроизведение голограммы. Применение голографии. Типы голограмм. Свойства голографического изображения.
Прохождение света через линейные фазовые пластинки. Искусственная
оптическая анизотропия. Фотоупругость.
Электрооптические и магнитооптические эффекты.
Волноводы и световоды.
|
Семестр 3
(количество модулей – 2)
|
Модуль VII «Основы квантовой физики»
Цель: ознакомление студентов с основными квантовой физики, современными представлениями о строении атома, возможностями их применения при решении практических задач, разработке новых технологий.
|
7.1
|
Квантовые свойства света
|
Излучение нагретых тел. Спектральные характеристики теплового излучения. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина. Абсолютно черное тело. Формула Релея-Джинса и «ультрафиолетовая катастрофа».
Гипотеза Планка. Квантовое объяснение законов теплового излучения.
Фотоэффект и эффект Комптона. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Опыт Боте.
Корпускулярно волновой дуализм света.
|
Фотопроводимость. Фотоэлементы.
Фотохимические реакции.
Рентгеновское излучение.
Давление света.
|
7.2
|
Планетарная
модель атома
|
Линейчатые спектры атомов. Эмпирические закономерности в атомных спектрах. Комбинационный принцип Ритца.
Формула Бальмера.
Строение атома по Бору.
|
Открытие электрона. Модель атома по Томсону. Ядерная модель атома.Опыты Резерфорда по рассеянию частиц.
Постулаты Бора.
|
7.3
|
Основы квантовой
механики
|
Гипотеза де Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера. Дифракция микрочастиц. Принцип неопределенности Гейзенберга. Волновая функция, ее статистический смысл и условия, которым она должна удовлетворять.
Уравнение Шредингера. Квантовая частица в одномерной потенциальной
яме. Одномерный потенциальный порог и барьер.
Состояние микрочастицы в квантовой механике.
Стационарное уравнение Шредингера для атома водорода. Волновые функции и квантовые числа. Правила отбора для квантовых переходов.
|
Опыт Штерна и Герлаха. Эффект Зеемана.
Ширина спектральных линий атома водорода. Собственный механический и магнитный моменты электрона в атоме. Спин-орбитальное взаимодействие.
Строение атомов и периодическая система химических элементов Д.М.Менделеева. Порядок заполнения электронных оболочек.
|
7.4
|
Оптические квантовые генераторы
|
Спонтанное и индуцированное излучение. Инверсное заселение уровней активной среды. Основные компоненты лазера. Условие усиления и генерации света.
Модовая структура оптических резонаторов. Спектральный состав излучения лазеров. Когерентность лазерного излучения.
|
Особенности лазерного излучения. Основные типы лазеров и их применение в технике и АПК.
|
7.5
|
Основы квантовой
статистики
|
Квантовые системы из одинаковых частиц. Принцип тождественности одинаковых микрочастиц. Симметричные и антисимметричные состояния (волновые функции) тождественных микрочастиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули.
Квантовые статистические распределения Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Плотность числа квантовых состояний. Энергия Ферми. Предельный переход от квантовых статистических распределений к классическому распределению Максвелла-Больцмана.
Параметр вырождения.
|
Сверхтекучесть гелия. Сверхпроводимость.
Работа выхода электрона из металла. Термоэлектронная эмиссия. Формула Ричардсона-Дэшмана. Эффект Шотки. Холодная (автоэлектронная) эмиссия.
|
Модуль VIII «Современные представления о структуре вещества. Достижения микро- и макрофизики последних лет»
Цель: ознакомление студентов с современными представлениями о строении вещества и происхождения Вселенной, возможностями применения данных знаний в профессиональной деятельности.
|
8.1
|
Элементы физики
твердого тела
|
Движение электронов в периодическом поле кристалла. Структура зон в металлах, полупроводниках и диэлектриках. Проводимость металлов.
Собственная и примесная проводимость полупроводников. Уровень Ферми
в чистых и примесных полупроводниках. Температурная зависимость проводимости полупроводников. Фотопроводимость полупроводников.
|
Контактные явления в полупроводниках.
Дефектоскопия.
Плазма и ее основные свойства. Получение и применение плазмы в науке и технике.
Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда. Эффект Холла в металлах и полупроводниках.
|
8.2
|
Квантовые объекты нанотехнологий
|
Приборы нанотехнологий: сканирующий туннельный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, ближнепольный оптический микроскоп.
Объекты нанотехнологий: квантовые точки, квантовые ямы и нити, углеродные нанотрубки, фуллерены.
|
Возможности нанотехнологий в АПК.
|
8.3
|
Основы физики
атомного ядра
|
Состав атомного ядра. Характеристики ядра: заряд, масса, энергия связи нуклонов.
Ядерные реакции. Деление ядер. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений.
Спин и магнитный момент ядра. Свойства и обменный характер ядерных сил. Естественная и искусственная радиоактивность. Источники радиоактивных излучений. Законы сохранения в ядерных реакциях. Экспериментальные методы ядерной физики.
|
Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного
излучения.
Понятие о дозиметрии и защите.
Радиоизотопный анализ, его применение в технике и АПК.
Ускорители.
|
8.4
|
Элементарные частицы
|
Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц. Частицы и античастицы. Лептоны и адроны. Кварки. Электрослабое взаимодействие.
Стандартная модель элементарных частиц. Проблема объединения фундаментальных взаимодействий.
|
Последние открытия на современных коллайдерах в области физики элементарных частиц.
|
8.5
|
Физическая картина мира
|
Особенности классической, неклассической и постнеклассической физики.
Методология современных научно-исследовательских программ в области физики. Основные достижения и проблемы субъядерной физики. Попытки объединения фундаментальных взаимодействий и создания «теории всего» (Theory of everything).
Современные космологические представления.
Достижения наблюдательной астрономии. Теоретические космологические
модели. Антропный принцип. Революционные изменения в технике и
технологиях как следствие научных достижений в области физики. Физическая
картина мира как философская категория.
|
Современные представления о происхождении и развитии Вселенной.
Парадигма Ньютона и эволюционная парадигма.
|
