Министерство образования и науки Российской федерации
Красноярский государственный педагогический университет
им. В.П. Астафьева
Кафедра общей физики
Молекулярная физика
Рабочая программа учебной дисциплины
для студентов основной образовательной программы бакалавриата
050100.62 – “Педагогическое образование”, профили “Физика и информатика“
(наименование, шифр)
по очной форме обучения
Красноярск 2012
Составители:
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики В.А. Орлов
доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики А.А. Иванов
Рецензенты:
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры
теоретической физики И.Н. Орлова
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры
математических методов физики А.Г. Черных
О63 Орлов В.А., Иванов А.А., Рабочая программа учебной дисциплины «Молекулярная физика и термодинамика» для студентов и преподавателей профиля физика и информатика КГПУ. - Красноярск: РИО КГПУ, 2012. - 54 с.
© Красноярский государственный педагогический университет, 2012 © Орлов В.А., Иванов А.А.
Введение
Программа дисциплины «Молекулярная физика» отражает структуру учебного курса в составе общего курса физики для подготовки бакалавров в соответствие со стандартом “педагогическое образование” (050100.62)
Программа составлена на основе следующих документов:
«Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования» направление 050100 физико-математическое образование степень (квалификация) – бакалавр физико-математического образования №46 от 17 января 2011.
«Стандарт учебно-методического комплекса дисциплины в КГПУ им. В.П. Астафьева», Красноярск 2011г.
Выписки из стандартов, согласно которым построена структура дисциплины: 
Данная учебная дисциплина является завершающим разделом курса общей физики в педагогическом университете. С одной стороны в рамках этого раздела подводится некий итог изучения общего курса, с другой проводится знакомство с новыми, пока непривычными, физическими понятиями и явлениями (элементы квантовой и статистической физики). В соответствии с этим определяются цели изучения молекулярной физики. Дисциплина изучается в течении двух семестров. Перед изучением курса молекулярной физики студентами пройдены все разделы общего курса, оперирующие классическими законами: механика, электричество, оптика. После изучения курса молекулярной физики студенты продолжают детально изучать квантово-механический подход к описанию явлений в микромире: квантовая физика, физика твердого тела, статистическая физика.
Одним из главных составляющих курса является модуль «Вероятностный подход в описании макросистем». В этой части курса раскрывается статистический смысл энтропии, формируется понятие необратимости у студентов. Изучение данного раздела требует некоторой математической подготовки в области теории вероятности. Минимальные сведения по теории вероятностей включены в состав соответствующих учебных элементов.
Большое внимание уделяется обсуждению физических явлений, управляемых законами молекулярной физики. Одним из источников экспериментальных данных является демонстрационный эксперимент, который занимает немаловажное место в курсе. Многие демонстрационные эффекты легли в основу задач для практических и лабораторных занятий.
Особенностью курса по сравнению со стандартными курсами молекулярной физики является роль, которую играют физические задачи, в том числе и экспериментальные. Им уделяется гораздо больше внимания, чем это обычно принято. По сути, курс почти полностью мог бы быть усвоен только путем решения предлагаемых задач в учебном пособии, созданном специально для данной программы [1,2].
Вкратце, требования к знаниям студентов после изучения курса молекулярной физики состоят в следующем. Студент должен знать перечень и формулировки основных законов молекулярной физики. Он должен уметь применять их для качественного анализа физических явлений. В ряде отобранных физических ситуаций студент должен уметь проводить не только качественный, но и количественный анализ. Экзаменационные билеты к курсу, поэтому, составлены как подборки качественных задач (см. список вопросов экзаменационных заданий).
В качестве учебников мы рекомендуем не только издания хорошо известные, признанные и являющиеся эталонами, но и собственные методические разработки: сборники задач, лабораторные работы, экспериментальные задачи...
Модульный подход к учебному курсу
обеспечивает обязательность проработки основного материала главных модулей программы,
раскрывает четкую и прозрачную структуру учебного материала и требований к итоговой аттестации студентов,
предусматривает некоторую вариативность в выборе содержания и глубины проработки материалов, вынесенных на индивидуальную и самостоятельную работу студентов,
регулирует и расставляет акценты в работе преподавателя в части индивидуальной работы и управления самостоятельной работой студентов.
Как и большинство курсов по естественнонаучным дисциплинам, курс «Молекулярная физика» в основе своей содержит идеологию деятельностного подхода в подготовке компетентных учительских кадров.
I. Цели и задачи изучения курса «Молекулярная физика»
Учебная программа и лабораторное обеспечение были созданы силами кафедры общей и теоретической физики КГПУ. Автором содержания является профессор Иванов А.А. В разработке и создании лабораторного парка курса принимали активное участие Круглов В.Б., Смирнов С.И., Орлов В.А.
Программа полностью удовлетворяет требования государственных стандартов по соответствующим физическим специальностям (см. Введение). Программа предназначена для подготовки кадров по специальностям «учитель физики» и «бакалавр физического образования» .
Учебный курс призван:
обеспечить свой вклад в структуру компетентности учителя физики,
ввести слушателей в круг научных проблем, решаемых разделами физики «Термодинамика» и «Статистическая физика»,
обеспечить знания экспериментальных средств и усвоение законов молекулярной физики и термодинамики, на уровне, необходимом для успешной трудовой деятельности специалистов в общеобразовательной школе и профильной школе с углубленным изучением физики,
развить практические навыки обращения с экспериментальными установками и измерительными приборами узкоспециального и общего назначения,
развить умения решения творческих задач по изучаемому разделу, умения эффективного использования законов и методов в решении практических и теоретических задач.
В целом: вооружить будущего современного, прогрессивного учителя физики необходимыми знаниями (их структурирование), умениями, навыками для успешного выполнения профессиональных задач и дальнейшего собственного непрерывного самосовершенствования.
Задачами при реализации данной программы являются:
овладение знаниями:
теоретических основ науки, терминологии, истории становления,
методов экспериментальных и теоретических исследований,
предмета и объекта исследований данной науки,
экспериментальных средств
овладение навыками:
решения расчетных и экспериментальных задач,
обращения с экспериментальными установками и отдельными измерительными приборами,
работы с современными цифровыми лабораториями,
работы с учебной и научной литературой,
овладение умениями:
решения творческих и нестандартных задач,
проектировать эксперимент.
Содержание модульной программы «Молекулярная физика» включает в себя следующие структурные единицы:
Модуль 1. «Молекулярно-кинетическая теория и элементы термодинамики»:
Учебный элемент 1.1 «Молекулы. Тепловое равновесие»,
Учебный элемент 1.2 «Идеальный газ. Первое начало термодинамики»,
Модуль 2. «Вероятностный подход в описании макросистем»:
Учебный элемент 2.1 «Второе начало термодинамики»,
Учебный элемент 2.2 «Вероятные и невероятные состояния»,
Модуль 3. «Агрегатные состояния»:
Учебный элемент 3.1 «Газы»,
Учебный элемент 3.2 «Жидкости»,
Учебный элемент 3.3 «Твердые тела»,
Модуль 4. «Элементы статистического описания систем»:
Учебный элемент 4.1 «Методы статистической механики в молекулярно-кинетической теории»
Выходной элемент. Экзамен.
II. Объем дисциплины и виды деятельности
Учебный курс рассчитан на один семестр
Виды деятельности
|
Кол. часов
|
Аудиторные занятия
|
116
|
Лекции
|
46
|
Лабораторные работы
|
70
|
экзамены
|
36
|
Зачеты
|
36
|
Внеаудиторная работа
|
64
|
Управление самостоятельной работой студентов
|
64
|
Итог
|
216
|
III. Содержание учебного курса
Тематический план
№
|
Наименование модуля
|
Аудиторные
|
Индивидуальная и самостоятельная работа
|
Всего
|
Лекции
|
Лабораторные
|
Экзамены
|
Зачет
|
Всего
|
1
|
Модуль 1.
«Молекулярно-кинетическая теория и элементы термодинамики»
|
|
|
|
|
|
|
56
|
|
Учебный элемент 1.1 «Молекулы. Тепловое равновесие»
|
6
|
14
|
|
|
20
|
8
|
28
|
|
Учебный элемент 1.2 «Идеальный газ. Первое начало термодинамики»
|
6
|
14
|
|
|
20
|
8
|
28
|
2
|
Модуль 2
«Вероятностный подход в описании макросистем»
|
|
|
|
|
|
|
32
|
|
Учебный элемент 2.1 «Второе начало термодинамики»
|
6
|
4
|
|
|
10
|
8
|
18
|
|
Учебный элемент 2.2 «Вероятные и невероятные состояния»
|
6
|
|
|
|
6
|
8
|
14
|
3
|
Модуль 3.
«Агрегатные состояния»
|
|
|
|
|
|
|
78
|
|
Учебный элемент 3.1 «Газы»
|
6
|
12
|
|
|
18
|
8
|
26
|
|
Учебный элемент 3.2 «Жидкости»
|
4
|
12
|
|
|
16
|
8
|
24
|
|
Учебный элемент 3.3 «Твердые тела»
|
6
|
14
|
|
|
20
|
8
|
28
|
4
|
Модуль 4.
«Элементы статистического описания систем»
|
|
|
|
|
|
|
14
|
|
Учебный элемент 4.1 «Методы статистической механики в молекулярно-кинетической теории»
|
6
|
|
|
|
6
|
8
|
14
|
|
Итог
|
46
|
70
|
36
|
36
|
116
|
64
|
216
|
Содержание модулей
Модуль 1. «Молекулярно-кинетическая теория и элементы термодинамики»
Учебный элемент 1.1 «Молекулы. Тепловое равновесие»
Содержание учебного элемента:
атомы, молекулы, закон Авогадро,
основы молекулярно-кинетической теории,
экспериментальные средства молекулярной физики,
движение и взаимодействие молекул,
виды теплового равновесия.
Учебный элемент 1.2 «Идеальный газ. Первое начало термодинамики»
Содержание учебного элемента:
уравнение состояния идеального газа (классический и квантовый подход),
молекулярные потоки, явления переноса,
понятия внутренней энергии, работы, количества теплоты,
первое начало термодинамики,
адиабатический процесс,
тепловые машины, циклы, КПД.
Модуль 2 «Вероятностный подход в описании макросистем»
Учебный элемент 2.1 «Второе начало термодинамики»
Содержание учебного элемента:
обратимые и необратимые тепловые машины,
энтропия, второе начало термодинамики,
теорема Карно,
энтропия и виды хаоса,
Учебный элемент 2.2 «Вероятные и невероятные состояния»
Содержание учебного элемента:
понятие вероятности, вероятность термодинамического состояния,
дискретные и непрерывные случайные величины,
центральная предельная теорема,
связь вероятности и энтропии,
распределение Больцмана, барометрическая формула.
Модуль 3. «Агрегатные состояния»
Учебный элемент 3.1 «Газы»
Содержание учебного элемента:
эффект Джоуля-Томсона,
уравнение состояния реального газа,
изотермы Ван-дер-Ваальса,
насыщенный пар.
Учебный элемент 3.2 «Жидкости»
Содержание учебного элемента
фазовый переход «газ-жидкость»,
критическая температура,
диаграммы состояния,
уравнение Клапейрона-Клаузиуса,
понятия влажности, конвективная устойчивость атмосферы,
свойства поверхности жидкостей (капиллярные явления, поверхностное натяжение),
Учебный элемент 3.3 «Твердые тела»
Содержание учебного элемента:
кристаллическая структура,
тепловые свойства кристаллов (классическое и квантовое описание),
фазовый переход «жидкость-твердое тело»,
механические свойства твердых тел (упругая и пластическая деформация, закон Гука, дислокации),
свойства полимеров.
Модуль 4. «Элементы статистического описания систем»
Учебный элемент 4.1 «Методы статистической механики в молекулярно-кинетической теории»
Содержание учебного элемента:
квантовые состояния спиновые систем,
взаимодействующие квантовые системы,
распределение тепловой энергии, ультрафиолетовая катастрофа,
теория равновесного излучения Планка.
IV. Темы лекций
№
|
Модуль, учебный элемент
|
Темы лекций
|
1
|
Модуль 1.
«Молекулярно-кинетическая теория и элементы термодинамики»
|
|
|
Учебный элемент 1.1
«Молекулы. Тепловое равновесие»
|
Лекция 1. «Молекулярно-кинетическая теория»
Лекция 2. “Распределения молекул по скоростям”
Лекция 3. «Тепловое равновесия»
|
|
Учебный элемент 1.2
«Идеальный газ. Первое начало термодинамики»
|
Лекция 4. «Уравнение состояния идеального газа»
Лекция 5. «Закон сохранения энергии в тепловых процессах»
Лекция 6. «Применение первого начала термодинамики»
|
2
|
Модуль 2
«Вероятностный подход в описании макросистем»
|
|
|
Учебный элемент 2.1
«Второе начало термодинамики»
|
Лекция 7. «Второе начало термодинамики. Энтропия»
Лекция 8. «Энтропия как мера беспорядка»
Лекция 9. «Виды беспорядка»
|
|
Учебный элемент 2.2
«Вероятные и невероятные состояния»
|
Лекция 10. «Вероятность»
Лекция 11. «Распределение Больцмана»
Лекция 12. “Частные вопросы вероятностных распределений”.
|
3
|
Модуль 3.
«Агрегатные состояния»
|
|
|
Учебный элемент 3.1
«Газы»
|
Лекция 13. «Реальные газы»
Лекция 14. “Изотермы Ван-дер-Ваальса. Диаграммы состояния”
Лекция 15. «Фазовые переходы »
|
|
Учебный элемент 3.2
«Жидкости»
|
Лекция 16. «Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение»
Лекция 17. “Осмос”
|
|
Учебный элемент 3.3
«Твердые тела»
|
Лекция 18. «Механические и тепловые свойства твердых тел»
Лекция 19. «Пластическая деформация. Полимерные цепочки»
Лекция 20. «Механическая обработка материалов. Дефекты в кристаллах»
|
4
|
Модуль 4.
«Элементы статистического описания систем»
|
|
|
Учебный элемент 4.1
«Методы статистической механики в молекулярно-кинетической теории»
|
Лекция 21. «Основные положения статистической механики»
Лекция 22. «Равновесное излучение»
Лекция 23. “Причины несостоятельности классического подхода к некоторым явлениям”.
|
Примечание: Тексты лекций практически полностью изложены в учебном пособии [1].
V. Темы лабораторных работ
№
|
Модуль, учебный элемент
|
Темы практических и лабораторных занятий
|
1
|
Модуль 1.
«Молекулярно-кинетическая теория и элементы термодинамики»
|
|
|
Учебный элемент 1.1
«Молекулы. Тепловое равновесие»
|
Правила техники безопасности. Элементы теории погрешностей. Измерительные приборы.
Определение средней квадратичной скорости молекул воздуха, универсальной газовой постоянной и плотности воздуха методом откачки.
|
|
Учебный элемент 1.2
«Идеальный газ. Первое начало термодинамики»
|
Температура и способы ее измерения. Термометры сопротивления.*
Определение коэффициентов динамической вязкости воздуха.
Измерение универсальной газовой постоянной.
|
2
|
Модуль 2
«Вероятностный подход в описании макросистем»
|
|
|
Учебный элемент 2.1
«Второе начало термодинамики»
|
|
|
Учебный элемент 2.2
«Вероятные и невероятные состояния»
|
Экспериментальное исследование распределения термоэлектронов по скоростям.*
|
3
|
Модуль 3.
«Агрегатные состояния»
|
|
|
Учебный элемент 3.1
«Газы»
|
Определение  по скорости звука в газе методом стоячих волн.
Определение показателя адиабаты воздуха методом Клемана-Дезорма.
Определение удельной теплоты перехода воды в пар при температуре кипения.
|
|
Учебный элемент 3.2
«Жидкости»
|
Измерение отношения для жидкости методом дифракции света на ультразвуковой решетке.
Измерение относительной влажности воздуха.
Изучение зависимости давления насыщенных паров от температуры.*
Определение коэффициента объемного расширения жидкости.
Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от температуры и концентрации раствора методом максимально давления в пузырьке.
Измерение вязкости жидкости методом Стокса
|
|
Учебный элемент 3.3
«Твердые тела»
|
Определение коэффициента теплопроводности металла.*
Кристаллизация сплавов и растворов.
Тепловое расширение твердого тела.
Измерение температуры и теплоты плавления припоя.*
Изучение фазового перехода кристаллизации гипосульфита натрия.
Измерение модуля Юнга.
|
4
|
Модуль 4.
«Элементы статистического описания систем»
|
|
|
Учебный элемент 4.1
«Методы статистической механики в молекулярно-кинетической теории»
|
|
Примечания:
Описание установок экспериментальные задания и контрольные вопросы изложены в пособии [3].
Часть аудиторного времени в составе лабораторных работ и индивидуальных занятий используется для практикума по решению задач. Задачи дифференцированы по уровню сложности и представлены в пособии [2].
В части лабораторных работ используется ЭВМ для обработки результатов измерений и представления отчета (такие работы в таблице отмечены символом «*»). Используется программное обеспечение, созданное авторами данной программы и частично компоненты пакета MS Office (Электронные таблицы).
Методическое обеспечение дисциплины
1. Входной и выходной контроль.
Для обеспечения контроля за качеством учебного процесса проводятся контрольные письменные срезы в начале и в конце обучения. Задания состоят из качественных вопросов и количественных задач разного уровня сложности. Тексты задач содержатся в сборнике, специально изданным для этой учебной дисциплины.
Продолжительность среза 2 академических часа (1 лента). Форма представления результатов свободная.
Не рекомендуется в ходе изучения дисциплины рассматривать задания этого блока на практических или лекционных занятиях. Разбор решений данной контрольной следует произвести сразу после выходного контролирующего занятия, отметив при этом, что часть материала войдет в состав экзаменационных вопросов.
2. Учебно-методическое обеспечение лекций
Модуль 1.
«Молекулярно-кинетическая теория и элементы термодинамики»
Учебный элемент 1.1
«Молекулы. Тепловое равновесие»
Лекция 1
«Молекулярно-кинетическая теория»
Рассматриваемые вопросы:
Молекулы, их размеры, взаимодействие и характер движения.
Экспериментальные средства наблюдения.
Ключевые слова:
Молекула, атом, парное взаимодействие, селектор скоростей, ионный проектор, электронограмма, рентгенограмма, закон Авогадро, потенциал Ленарда-Джонса.
Лекция 2
«Распределения молекул по скоростям»
Рассматриваемые вопросы:
Вероятностные закономерности в характере движения молекул газа.
Экспериментальные средства наблюдения.
Ключевые слова:
Распределение Максвелла, распределение по проекциям скоростей.
Лекция 3
«Тепловое равновесие»
Рассматриваемые вопросы:
Механизм наступления теплового равновесия.
Шкалы температур.
Ключевые слова:
Броуновское движение, процессы переноса, теплоемкость, абсолютная шкала температур, длина свободного пробега молекул, диффузия, самодиффузия.
Учебный элемент 1.2
«Идеальный газ. Первое начало термодинамики»
Лекция 4
«Уравнение состояния идеального газа»
Рассматриваемые вопросы:
Модель идеального газа.
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ). Уравнение состояния идеального газа.
Изопроцессы.
Ключевые слова:
молекулярные потоки, осмотическое давление, закон Дальтона, уравнение Вант-Гоффа, радиометрический эффект, изотерма, изобара, изохора.
Лекция 5
«Закон сохранения энергии в тепловых процессах»
Рассматриваемые вопросы:
Понятия: «внутренняя энергия», «работа», «теплота».
Теплоемкости идеального газа. Адиабатический процесс.
Ключевые слова:
Первое начало термодинамики, показатель адиабаты, степень свободы молекулы, теплоемкость, дифференциальное и интегральное уравнения адиабаты.
Лекция 6
«Применение первого начала термодинамики»
Рассматриваемые вопросы:
Экспериментальные средства измерения теплоемкостей.
Экспериментальные средства измерения показателя адиабаты.
Циклические процессы и коэффициент полезного действия цикла.
Ключевые слова:
Метод Жоли, метод Клемана-Дезорма, метод Реньо, цикл, КПД.
Модуль 2.
«Вероятностный подход в описании макросистем»
Учебный элемент 2.1
«Второе начало термодинамики»
Лекция 7
«Второе начало термодинамики. Энтропия»
Рассматриваемые вопросы:
Тепловые машины. Обратимые и необратимые процессы.
Направление протекания тепловых процессов.
Теорема Карно.
Ключевые слова:
Циклы, энтропия, КПД, обратимость, «физическое никогда».
Лекции 8, 9
«Энтропия как мера беспорядка», “Виды беспорядка”
Рассматриваемые вопросы:
Свойства энтропии.
Динамический и пространственный беспорядок.
Ключевые слова:
Энтропия, вероятность состояния, функция состояния, равновсное состояние.
Учебный элемент 2.2
«Вероятные и невероятные состояния»
Лекция 10
«Вероятность»
Рассматриваемые вопросы:
Сложные и элементарные события. Распределения вероятностей.
Нормальное приближение. Средние значения случайной величины.
Центральная предельная теорема.
Ключевые слова:
Поле событий, Гауссово распределение, дискретные и непрерывные случайные величины.
Лекция 11
«Распределение Больцмана»
Рассматриваемые вопросы:
Связь вероятности и энтропии.
Барометрическая формула.
Ключевые слова:
Распределение Больцмана, вероятность, энтропия.
Лекция 12
«Частные вопросы вероятностных распределений»
Рассматриваемые вопросы:
Частные случаи применения биномиального распределения.
Вероятностные законы в других отраслях знаний
Ключевые слова:
Распределения Пуассона, Гаусса.
Модуль 3.
«Агрегатные состояния»
Учебный элемент 3.1
«Газы»
Лекция 13
«Реальные газы»
Рассматриваемые вопросы:
Взаимодействие между молекулами.
Уравнение реального газа.
Ключевые слова:
Закон парного взаимодействия, эффект Джоуля-Томсона, уравнение Ван-дер-Ваальса.
Лекция 14
«Изотермы Ван-дер-Ваальса. Диаграммы состояния»
Рассматриваемые вопросы:
Реальные изотермы. Свойства насыщенного пара.
Диаграммы состояния. Признаки фазового перехода.
Ключевые слова:
Уравнение Клапейрона-Клаузиуса, критическая температура, тройная точка, фазовый переход, принцип Ле Шателье-Брауна.
Лекция 15
«Фазовые переходы»
Рассматриваемые вопросы:
Свойства насыщенного пара.
Влажность и ее влияние на устойчивость конвективную атмосферы.
Ключевые слова:
Принцип Ле Шателье-Брауна, критический температурный градиент.
Учебный элемент 3.2
«Жидкости»
Лекция 16
«Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение.»
Рассматриваемые вопросы:
Свойства поверхности жидкости. Смачивание. Капиллярность.
Влияние формы поверхности на фазовые переходы.
Ключевые слова:
Коэффициент поверхностного натяжения, краевой угол, кривизна поверхности, давление Лапласа, этапы кипения.
Лекция 17
«Осмос.»
Рассматриваемые вопросы:
Свойства растворов.
Явление осмоса. Давление растворов.
Ключевые слова:
Осмотическое давление.
Учебный элемент 3.3
«Твердые тела»
Лекция 18
«Механические и тепловые свойства твердых тел»
Рассматриваемые вопросы:
Виды кристаллических структур.
Тепловые свойства кристаллов.
Механические свойства. Закон Гука.
Ключевые слова:
Кристаллическая решетка, плоскость спайности, теплоемкость кристалла, теория теплоемкости Эйнштейна, плавление, кристаллизация, скрытая теплота, деформация.
Лекция 19
«Пластическая деформация. Полимерные цепочки.»
Рассматриваемые вопросы:
Проблема Френкеля. Упрочнение материалов.
Аномальное поведение полимеров.
Ключевые слова:
Прочность, пластичность, текучесть, дислокация, дефект, квантовая цепочка.
Лекция 20
«Механическая обработка материалов. Дефекты в кристаллах.»
Рассматриваемые вопросы:
Упрочнение материалов.
Виды дефектов решетки
Ключевые слова:
Прочность, пластичность, текучесть, дислокация, дефект, квантовая цепочка.
Модуль 4.
«Элементы статистического описания систем»
Учебный элемент 4.1
«Методы статистической механики в молекулярно-кинетической теории»
Лекция 21
«Основные положения статистической механики»
Рассматриваемые вопросы:
Квантовые состояния системы частиц со спином ½.
Распределение вероятности по состояниям взаимодействующих систем.
Ключевые слова:
Спиновая цепочка, доступное состояние, газ квантовых частиц,каноническое распределение.
Лекция 22
«Равновесное излучение»
Рассматриваемые вопросы:
Проблема распределения тепловой энергии.
Квантовая теория равновесного излучения Планка.
Ключевые слова:
Ультрафиолетовая катастрофа, плотность излучения, формула Планка, закон Стефана-Больцмана.
Лекция 23
«Причины несостоятельности классического подхода к некоторым явлениям»
Рассматриваемые вопросы:
Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы.
Примеры явлений, не объяснимых с точки зрения классической теории молекулярного строения веществ.
Ключевые слова:
Теплоемкость, третий закон термодинамики.
3. Управление самостоятельной работой.
В этом разделе кратко представлен материал, который может быть вынесен на самостоятельное изучение студентами с обязательным и регулярным контролем со стороны преподавателя. Важно отметить, что на выходном модуле (экзамен) данные темы представлены равноправно с тематикой аудиторных занятий и требования по глубине усвоения данных тем должны быть не ниже, чем к вопросам, рассматриваемым подробно на лекциях. Качественные и расчетные задачи, вынесенные на самостоятельное решение представлены в пособии [2]. К каждому модулю прилагается список задач для самостоятельного решения, которые защищаются студентами на лабораторных занятиях и консультациях наравне в лабораторными работами. Отчет по самостоятельной работе студенты обязаны предоставлять после изучения каждого модуля дисциплины.
Итак, здесь освещены темы, которые могут быть изучены в следующих видах деятельности:
Самостоятельное изучение с последующим отчетом в виде ответов на контрольные вопросы преподавателя.
Самостоятельное решение задач и их защита.
Реферат, с последующим выступлением на лабораторно-практическом занятии.
Преподаватель дает творческие задания, в перспективе перерастающие в курсовые и/или дипломные работы.
Прочие виды самостоятельной деятельности студентов.
Модуль 1.
«Молекулярно-кинетическая теория и элементы термодинамики»
Вопросы для самостоятельного изучения:
Становление представлений об атомах и молекулах.
Закон Авогадро и история его открытия.
Методы измерения скоростей молекул.
Шкалы температур. История создания.
Квантовый вывод уравнения состояния идеального газа.
Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.
Методы измерения низких давлений.
Оригинальные методы измерения теплоемкостей.
Виды тепловых машин.
Модуль 2.
«Вероятностный подход в описании макросистем»
Вопросы для самостоятельного изучения:
Проекты идеальных тепловых машин.
«Парадоксы» энтропии.
Тепловой насос. Устройство «бытовых тепловых насосов».
Центральная предельная теорема, ее приложения.
Модуль 3.
«Агрегатные состояния»
Вопросы для самостоятельного изучения:
Уравнения реального газа (кроме Ван-дер-Ваальса).
Простые опыты с насыщенным паром.
Температурный градиент и конвективная устойчивость атмосфер планет Солнечной системы.
Оригинальные методы измерения влажности.
Применение капиллярных явлений в технике и других областях.
Фулерены.
Структурные фазовые переходы. Модификации кристаллических решеток.
Модуль 4.
«Элементы статистического описания систем»
Вопросы для самостоятельного изучения:
История построения теории равновесного излучения.
Термодинамика магнитных систем.
Статистическая сумма.
3. Экзаменационные задания
В каждом экзаменационном билете содержится по 9 заданий и представлены практически все учебные элементы модулей. На подготовку отводится 1 час. Разрешается свободно пользоваться литературой. Выполненные (частично выполненные) задания студент защищает в устном ответе преподавателю. Беседа с каждым студентом длится не более 15 минут.
При такой форме экзаменационного испытания студент не полагается на случай, а вынужден при подготовке к экзамену в равной степени уделить внимание всем модулям дисциплины. Итоговая оценка определяется по рейтинговой системе, в которой учтены все виды деятельности студента на протяжении семестра, в том числе качество прохождения промежуточного контроля по модулям. Итоговую оценку можно повысить выполним и отчитаться по дополнительным заданиям.
|
