3.Цели учебной дисциплины.
К общим целям дисциплины относятся:
понимание специфики гуманитарного и естественнонаучного компонентов культуры;
формирование представлений о естественнонаучной картине мира, как глобальной модели Природы, многообразии реального мира;
формирование частно дисциплинарных знаний и умений, определенных требованиями ГОС и реализуемых через содержание дисциплины.
После изучения дисциплины студент будет
иметь представление:
1) о соотношении естественнонаучной и гуманитарной культуры;
2) об истории естествознания, формировании «научного метода»;
3) о панораме современного естествознания и физики в частности, тенденциях развития науки и применения результатов естественнонаучных исследований;
4) о корпускулярной и континуальной концепции описания природы;
5) о соотношении порядка и беспорядка в природе, понятие хаоса;
6) о структурных уровнях организации материи;
7) о понятиях взаимодействия, дальнодействия и близкодействия, фундаментальных взаимодействиях;
8) о динамических и статистических закономерностях в природе;
9) о законе возрастания энтропии;
10)о принципах симметрии и законах сохранения;
11) о связи курса физики с другими дисциплинами;
12) о различных аспектах необратимости времени;
будет знать:
13) основные понятия, фундаментальные свойства и количественные меры свойств объектов изучения физики, а также законы, выявляющие взаимосвязь между различными мерами свойств объектов в рамках разделов курса физики, соответствующих требования ГОС;
14) принципы применения законов физики к конкретным физическим системам;
15) правила, необходимые для решения физических проблем на основе законов физики;
16) принцип суперпозиции;
17) принцип неопределенности;
18) принцип дополнительности;
будет уметь:
19) использовать научный подход в общей оценке природных явлений, а также в оценке различной информации о таких явлениях;
20) анализировать такую информацию с точки зрения выполнения фундаментальных законов природы и отделять «наукообразную» информацию от научной;
21) классифицировать физические системы по различным основаниям ( например, по законам, определяющим динамику поведения системы, по отношению к законам сохранения и т.д.);
22) оценивать численные порядки величин, характерных для различных физических объектов;
иметь опыт:
23) проведения лабораторного эксперимента, анализа результатов эксперимента и представления их в форме отчёта;
24) высказывать собственное суждение по конкретным физико-техническим проблемам в популярной форме;
4. Содержание и структура учебной дисциплины.
В данном компоненте рабочей программы приведены темы лекционных, практических и лабораторных занятий. Компоновка тем лекционных занятий выполнена в виде модулей с указанием количества часов, отводимых на изучение каждого модуля. Приводится также структура дисциплины.
4.1. Содержание лекционных занятий (всего часов –119)
Блок, модуль, раздел, тема.
|
Часы
|
Ссылки на цели
| Семестр №2 |
|
|
Модуль 1. Физические основы механики.
|
16
|
1,2, 3, 5, 8, 9
|
Физика как наука. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, теория. Математика и физика. Физика и естествознание. Философия и физика. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Физические модели. Компьютеры в современной физике. Роль физики в образовании. Общая структура и задачи курса физики.
Предмет механики. Нерелятивистская и релятивистская механика. Кинематика и динамика. Основные физические модели: частица (материальная точка), система частиц, абсолютно твёрдое тело, сплошная среда.
Пространственно-временные отношения. Система отсчёта. Скалярные и векторные физические величины. Основные кинематические характеристики движения частиц. О смысле производной и интеграла в приложении к физическим задачам. Скорость и ускорение частицы при криволинейном движении. Движение частицы по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Поступательное и вращательное движения абсолютно твёрдого тела.
. Понятие состояния частицы в классической механике. Основная задача динамики. Первый закон Ньютона. Понятие инерциальной системы отсчёта. Масса. Импульс. Сила. Фундаментальные взаимодействия и силы в природе. Второй закон Ньютона и уравнения движения материальной точки. Третий закон Ньютона. Современная трактовка законов Ньютона. Границы применимости классического способа описания движения частиц.
Закон сохранения импульса. Центр инерции. Закон движения центра инерции. Реактивное движение. Момент импульса. Момент силы. Закон сохранения момента импульса. Уравнение моментов. Движение в центральном поле. Законы Кеплера. Работа. Мощность. Кинетическая энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия и энергия взаимодействия. Внутренняя энергия. Закон сохранения энергии в механике. Общефизический закон сохранения энергии. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.
Уравнения движения твёрдого тела. Момент инерции тела относительно неподвижной оси. Вращательный момент. Основное уравнение динамики вращательного движения. Энергия тела, совершающего поступательное и вращательное движения. Работа при вращении твёрдого тела.
Преобразования Галилея. Инварианты преобразования. Принцип относительности Галилея.
Принцип относительности в релятивистской механике. Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия. Релятивистский импульс. Инвариантность уравнений движения относительно преобразований Лоренца. Полная энергия частицы.
|
|
|
Модуль 2. Электричество.
|
18
|
9, 11
|
Предмет классической электродинамики. Электрический заряд и его дискретность. Идея близкодействия. Границы применимости классической электродинамики.
Закон Кулона. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции. Электрический диполь. Основные уравнения электростатики в вакууме. Поток и циркуляция электростатического поля. Работа электростатического поля. Потенциал электростатического поля и его связь с напряжённостью. Идеальный проводник в электростатическом поле. Поверхностные заряды. Граничные условия на поверхности раздела "идеальный проводник – вакуум". Электростатическое поле в полости идеального проводника. Электростатическая защита. Коэффициенты ёмкости и взаимной ёмкости проводников. Конденсаторы. Ёмкость конденсаторов.
Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.
Плоский конденсатор с диэлектриком. Энергия диполя во внешнем электростатическом поле. Поляризация диэлектрика. Поляризационные заряды. Поляризованность. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Граничные условия на поверхности раздела "диэлектрик – диэлектрик" и "проводник – диэлектрик". Плотность энергии электростатического поля в диэлектрике.
Постоянный электрический ток и его характеристики. Условия существования тока. Проводники и изоляторы. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Сторонние силы. Э.Д.С. Источники Э.Д.С. Закон Ома для замкнутой цепи и участка цепи, содержащего источник Э.Д.С. Закон сохранения энергии для замкнутой цепи. Правила Кирхгофа. Элементы классической теории электропроводности металлов.
|
|
| Семестр №3 |
|
|
Модуль 3. Электромагнетизм.
|
14
|
7,9,11, 13
|
Инвариантность заряда. Взаимодействие движущихся зарядов. Магнитное поле равномерно движущегося заряда. Закон Био-Савара-Лапласа. Сила Лоренца. Закон Ампера. Эффект Холла. Проводники с током в магнитном поле. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент. Энергия витка с током в магнитном поле.
Закон полного тока. Магнитное поле длинного соленоида. Коэффициенты индуктивности и взаимной индуктивности.
Намагничивание вещества. Молекулярные токи. Намагниченность. Напряжённость магнитного поля. Магнитная проницаемость. Диа- пара- и ферромагнетизм. Явление гистерезиса. Граничные условия на границе раздела двух магнетиков.
Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца.
Явление самоиндукции. Токи при замыкании и размыкании электрической цепи.
Природа электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме.
Энергия и плотность энергии магнитного поля.
|
|
|
Модуль 4. Колебания и волны. Волновая оптика.
|
20
|
8, 9, 13
|
Общие представления о колебательных и волновых процессах. Единый подход к описанию колебаний и волн различной физической природы.
Гармонические колебания. Характеристики гармонических колебаний и их физический смысл. Комплексная форма представления гармонических колебаний. Представление гармонических колебаний в векторной форме. Сложение одинаково направленных и взаимно-перпендикулярных гармонических колебаний одинаковых и разных частот. Биения. Фигуры Лисажу.
Гармонический осциллятор. Дифференциальное уравнение гармонического осциллятора. Примеры гармонических осцилляторов: математический маятник, груз на пружине, колебательный контур без потерь энергии. Энергия гармонического колебания.
Затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания. Энергия затухающих колебаний. Добротность осциллятора.
Связанные гармонические осцилляторы. Понятие о нормальных колебаниях в системе связанных осцилляторов.
Вынужденные колебания. Зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний от частоты внешнего гармонического воздействия. Явление резонанса. Зависимость амплитуды при резонансе от добротности осциллятора.
Волны. Виды волн. Уравнение плоской бегущей волны. Характеристики волн. Волновое уравнение. Фазовая и групповая скорости. Энергия упругой волны. Вектор Умова. Дисперсия. Стоячие волны.
Электромагнитные волны. Вектор Умова-Пойнтинга.
Интерференция волн. Понятие когерентности. Интерференция волн от двух когерентных источников. Расчёт координат интерференционных максимумов и минимумов. Интерференция в тонких плёнках. Многолучевая интерференция.
Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на щели. Дифракция на дифракционной решётке. Спектральное разложение. Разрешающая способность спектральных приборов. Голография.
Естественный и поляризованный свет. Виды поляризованного света. Способы получения поляризованного света. Закон Малюса. Закон Брюстера. Явление двойного лучепреломления. Одноосные дву лучепреломляющие кристаллы.
|
|
|
Семестр №4.
|
|
|
Модуль 5. Квантовая физика
|
13
|
3, 9, 10, 14, 15
|
Экспериментальное обоснование основных идей квантовой теории. Тепловое излучение и его законы. Гипотеза Планка. Формула Планка. Явление внешнего фотоэффекта. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны.
Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов. Соотношение неопределённостей.
Уравнение Шрёдингера. Волновая функция и её физический смысл. Стационарное уравнение Шрёдингера. Туннельный эффект. Частица в одномерной и трёхмерной потенциальной яме. Квантовый гармонический осциллятор. Атом водорода.
Энергетический спектр атома водорода. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева.
Молекулы. Молекула водорода. Физическая природа химической связи. Ионная и ковалентная связи. Молекулярные спектры.
|
|
|
Модуль 6. Статистическая физика и термодинамика.
|
12
|
4, 9, 14
|
Макросистема и статистические закономерности. Термодинамический и статистический методы в физике.
Модельная макросистема и её статистические свойства. Понятие микро- и макросостояния. Вырожденное макросостояние. Степень вырождения макросостояния. Доступные и возможные микросостояния.
Тепловой и диффузионный контакт двух макросистем. Условия равновесного состояния для контактирующих систем. Энтропия, и её физический смысл. Температура. Химический потенциал и его физический смысл.
Закон возрастания энтропии и второе начало термодинамики.
Тепло и работа. Первое начало термодинамики.
Фактор Гиббса и фактор Больцмана. Большая статистическая сумма.
Функции распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Понятие о бозонах и фермионах.
Идеальный газ. Химический потенциал, энергия и энтропия идеального газа. Газовые законы. Изо процессы в идеальном газе. Теплоёмкость идеального газа. Распределение Больцмана и барометрическая формула. Распределение Максвелла.
Тепловые машины. Цикл Карно. К.П.Д. идеальной и реальной тепловой машины. Вырожденный электронный
газ. Теплоёмкость вырожденного электронного газа.
|
|
|
Модуль 7. Физика конденсированных систем. Физика ядра, элементарные частицы.
|
26
|
1, 9, 14, 15
|
Кристаллическая решётка. Тепловые свойства кристаллов. Акустические и оптические колебания в кристаллах. Теплоёмкость кристалла. Образование энергетических
зон в кристаллах. Заполнение зон электронами. Деление кристаллов на проводники, диэлектрики и полупроводники. Собственные и примесные полупроводники. Зависимость проводимости
. полупроводников от температуры. Контакт полупроводников с разным типом проводимости (p-n переход). Выпрямляющее действие p-n перехода.
Элементы квантовой электроники. Вынужденное излучение. Принцип работы лазера. Строение атомного
ядра. Модели ядра. Ядерные реакции. Радиоактивные превращения ядер. Управляемый термоядерный синтез.
Стандартная модель элементарных частиц. Кварки, лептоны и кванты фундаментальных полей.
|
|
| |
