Рабочая программа дисциплины «Общая физика» (Структура и содержание дисциплины. Технологии и методическое обеспечение промежуточной аттестации)

№ п/п

Раздел

Тема

Содержание

1.

Физические основы классической механики

Кинематика

Прямолинейное движение точки. Движение точки по окружности. Поступательное и вращательное движение твердого тела.

Динамика частиц

Силы. Основная задача динамики. Уравнение движения. Современная трактовка законов Ньютона. I, II и III законы Ньютона.

Принцип относительности в механики

Инерциальные системы отсчета и принцип относительности. Преобразования Галилея. Инвариантные преобразования. Описание движения в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. Гравитационная масса. Эквивалентность инертной и гравитационной масс.

Законы сохранения в механике

Симметрия пространства и времени. Закон сохранения импульса. Работа и кинетическая энергия. Мощность. Кинетическая энергия. Внутренняя энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механики.

Общефизический закон сохранения энергии

Элементы релятивистской механики

Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Интервал. Закон сложения скоростей. Релятивистская динамика. Основной закон динамики. Кинетическая энергия. Взаимосвязь массы и энергии. Соотношение полной энергии и импульса. Границы применимости классической механики.

Динамика твердого тела

Момент силы. Момент инерции. Основной закон динамики вращения. Кинетическая энергия вращающегося тела. Работа при вращении. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса.

Элементы механики сплошных сред

Уравнения равновесия и движение жидкости. Гидростатика несжимаемой жидкости. Уравнение Бернулли. Истечение жидкости из отверстия. Ламинарное и турбулентное течение. Упругие напряжения. Закон Гука.

2.

Молекулярная физика и термодинамика

Элементы статистической физики

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Сравнение его с уравнением Менделеева-Клапейрона. Вероятность и флюктуация. Равномерное распределение газов по объему. Средняя кинетическая энергия частицы. Скорость теплового движения частиц. Распределение Максвелла. Распределение Больцмана для частиц во внешнем потенциальном поле. Длина свободного пробега и среднее число столкновений молекул. Явления переноса.

Основы термодинамики

Внутренняя энергия идеального газа. Работа газа при изменении его объема. Количество теплоты. Теплоемкость. Теплоемкость газа. Первое начало термодинамики. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его КПД для идеального газа. Второе начало термодинамики. Энтропия. Энтропия идеального газа. Статистическое толкование второго начала термодинамики. Третье начало термодинамики (теорема Нернста).

Свойства газов, жидкостей и твердых тел

Фазы и условия равновесия фаз. Термодинамика поверхностей раздела двух фаз. Поверхностные энергия и натяжения. Капиллярные явления. Фазовые превращения. Фазовые диаграммы. Уравнение Ван-дер-Вальса. Критическая точка. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Кристаллы в тепловом равновесии. Строение кристалла. Экспериментальные методы. Краевые и винтовые дислокации. Экспериментальные методы исследования колебательного спектра кристаллов. Понятие о фононах.

3.

Электричество и магнетизм

Электрическое поле в вакууме

Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электрического поля. Принцип суперпозиции полей. Связь между напряженностью и потенциалом. Циркуляция электростатического поля. Теорема Гаусса-Остроградского. Вычисление полей с помощью теоремы Гаусса.

Электрическое поле в диэлектриках

Полярные и неполярные молекулы. Поляризация диэлектриков. Связанные заряды. Вектор электрического смещения. Условия на границе двух диэлектриков. Теорема Гаусса-Остроградского для поля в диэлектриках. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект.

Проводники в электрическом поле

Равновесие зарядов на проводнике. Проводник во внешнем электрическом поле. Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного проводника. Энергия конденсатора. Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля.

Постоянный ток

Электрический ток. Его характеристики и условия существования. Классическая электронная теория электропроводности металлов. Закон Ома в интегральной форме. Разность потенциалов. Электродвижущая сила. Напряжение. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.

Магнитное поле в вакууме

Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Ампера. Магнитное поле тока. Закон Био-Савара-Лапласса и его применение к расчету магнитного поля. Магнитный момент витка с током. Вихревой характер магнитного поля. Закон полного тока (циркуляция вектора магнитной индукции) для магнитного поля в вакууме и его применение для расчета магнитного поля тороида и длинного соленоида. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Эффект Холла. Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток. Теорема Остроградсгого-Гаусса. Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.

Магнитное поле в веществе

Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков. Намагниченность. Микро- и макротоки. Элементарная теория диа- и парамагнетизма. Магнитная восприимчивость вещества и ее зависимость от температуры. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри. Домены. Спиновая природа ферромагнетизма.

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции и его вывод из закона сохранения энергии. Явление самоиндукции. Индуктивность. Токи при замыкании и размыкании цепи. Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Энергия системы проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля.

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля

Фарадеевская и Максвелловская трактовки явления электромагнитной индукции. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме.

4.

Колебания и волны

Механические колебания в упругих средах

Гармонические и механические колебания. Кинематические характеристики гармонических колебаний. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Пружинный, физический и математический маятники. Энергия гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимноперпендикулярных колебаний. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Аппериодический процесс. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Понятие о резонансе.

Электромагнитные колебания

Гармонические электромагнитные колебания и их характеристики. Электрический колебательный контур. Энергия электромагнитных колебаний. Дифференциальное уравнение электромагнитных колебаний и его решение. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Случай резонанса. Резонанс токов. Резонанс напряжений. Переменный ток. Мощность переменного тока.

Волновые процессы в упругой среде

Волновые процессы. Механизм образования механических волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Синусоидальные волны. Уравнение бегущей волны. Длина волны и волновое число. Волновое уравнение. Фазовая скорость. Энергия волны. Вектор Умова. Принцип суперпозиции волн. Волновой пакет. Групповая скорость. Когерентность. Интерференция волн. Образования стоячих волн. Уравнение стоячей волны и его анализ.

Электромагнитные волны

Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Основные свойства электромагнитных волн. Монохроматическая волна. Энергия электромагнитных волн. Поток энергии. Вектор Умова-Пойнтинга.

5.

Оптика

Волновая оптика

Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Оптическая длина пути. Интерференция света в тонких пленках. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на одной щели и дифракционной решетке. Разрешающая способность оптических приборов. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брегга. Принцип голографии. Дисперсия света. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Одноосные кристаллы. Поляроиды и поляризационные призмы. Закон Малюса.

Тепловое излучение

Черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана–Больцмана. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон смещения Вина. Формула Релея-Джинса. Квантовая гипотеза. Формула Планка.

Квантовая оптика

Внешний фотоэффект и его законы. Фотоны. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Масса и импульс фотона. Давление света. Опыты Лебедева. Квантовое и волновое объяснение давления света. Эффект Комптона и его теория. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.

6.

Атомная и ядерная физика. Квантовая статистика

Элементы квантовой механики

Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма свойств вещества. Формула де Бройля. Соотношение неопределенностей как проявление корпускулярно-волнового дуализма свойств материи. Волновая функция и ее статистический смысл. Ограниченность механического детерминизма. Принцип причинности в квантовой механике. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Свободная частица. Туннельный эффект. Частица в однородной прямоугольной потенциальной яме. Квантование энергии и импульса частицы.

Электроны в кристаллах. Элементы квантовой электроники

Понятие о квантовой статистике Энергия Ферми. Влияние температуры на распределение электронов. Уровень Ферми. Внутренняя энергия и теплоемкость электронного газа в металле. Электропроводность металлов. Сверхпроводимость. Энергетические зоны в кристаллах. Распределение электронов по энергетическим зонам. Валентная зона и зона проводимости. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Контактные явления. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход).

Атом

Атом водорода. Главное орбитальное и магнитное квантовое числа. Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям.

Молекулы

Понятие об энергетических уровнях молекул. Спектры атомов и молекул. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения. Понятие о лазере.

Атомное ядро и элементарные частицы

Заряд, размер и масса атомного ядра. Состав ядра. Нуклоны. Взаимодействие нуклонов и понятия о свойствах и природе ядерных сил. Дефект массы и энергия связи ядра. α, β, γ – излучение. Ядерные реакции и законы сохранения. Реакция деления ядер. Понятие о ядерной энергетике. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций. Элементарные частицы. Их классификация и взаимопревращаемость. Четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные.

7.

Заключение

Физическая картина мира

Физическая картина мира как философская категория. Корпускулярная и континуальная концепция описания природы. Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомное ядро, Кварки. Элементарные частицы: лаптоны, адроны. Взаимопревращения частиц. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

Тематика лекции

Кол-во академических часов

1

2

3

Первый семестр

34

1

Предмет физики. Кинематика поступательного и вращательного движения.

2

2

Классификация сил. Законы Ньютона. Механический принцип относительности.

2

3

Закон сохранения импульса. Механическая работа и мощность.

2

4

Энергия. Механическая энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механики.  Применение закон механики к столкновению упругих и неупругих тел.

2

5

Динамика вращательного движения твердого тела. Второй закон Ньютона. Закон сохранения момента импульса. Кинетическая энергия вращения.

2

6

Статика жидкостей и газов. Гидродинамика.

2

7

Элементы СТО. Постулаты Эйнштейна. Преобразование Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Интервал.

2

8

Динамика СТО. Закон сохранения энергии. Связь между энергией и массой. Связь между энергией и импульсом.

2

9

Динамические и статистические закономерности в физике. Статистические и термодинамические методы. Уравнение кинетической теории газов. Сравнение с уравнением  Клаперойна-Менделеева.

2

10

Распределение энергии по степеням свободы. Распределение молекул газа по объему.

2

11

Распределение Максвелла по скоростям. Распределение Больцмана.

2

12

Средняя длина свободного пробега молекул. Среднее число столкновений. Явления переноса.

2

13

Идеальный газ. Внутренняя энергия газа. Работа газа при изменении объема.

2

14

Теплота. Теплоемкость. Теплоемкость газа. Первое начало термодинамики. Адиабатический процесс.

2

15

Обратимый и необратимый процессы. Круговой процесс. Цикл Карно. Тепловая машина. КПД тепловой машины.

2

16

Второе начало термодинамики. Энтропия. Статистическое толкование второго начала. Физический смысл энтропии.

2

17

Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Фазовые переходы. Тройная точка. Внутренняя энергия идеального газа.

2

Второй семестр

34

1

Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Поток вектора напряженности. Поток вектора электрического смещения. Теорема Гаусса-Остроградского для поля в вакууме.

2

2

Работа в электрическом поле. Потенциал. Циркуляция вектора напряженности. Связь напряженности с потенциалом. Градиент потенциала.

2

3

Электрическое поле в веществе. Виды диэлектриков. Виды поляризации. Связанные заряды. Условие на границе двух диэлектриков. Теорема Гаусса-Остроградского для поля в диэлектриках. Сегнетоэлектрики.

2

4

Проводники в электрическом поле. Емкость проводника. Емкость конденсатора. Энергия конденсатора. Энергия электрического поля.

2

5

Постоянный ток. Классическая электронная теория проводимости. Закон Ома в интегральной и дифференциальной форме. Правила Кирхгофа. Разность потенциалов. ЭДС, напряжение. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной форме.

2

6

Магнитное поле. Силовая характеристика поля – магнитная индукция. Закон Био-Савара-Лапласа. Применение закона Био-Савара-Лапласа к расчету полей. 

2

7

Напряженность магнитного поля. Закон Ампера. Циркуляция вектора напряженности. Применение циркуляции к расчету поля длинного соленоида. Закон полного тока. Контур с током в магнитном поле.

2

8

Магнитный поток. Теорема Гаусса-Остроградского для магнитного поля. Работа перемещения проводника с током и контура с током в магнитном поле.

2

9

Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Принцип действия циклических ускорителей. Эффект Холла.

2

10

Магнитное поле в веществе. Типы магнетиков. Намагниченность. Магнитные моменты электронов и атомов. Диа- и парамагнетизм.

2

11

Ферромагнетизм. Магнитный гистерезис. Точка Кюри. Домены. Квантовая природа ферромагнетизма. Магнитомеханические явления.

2

12

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея –Ленца и вывод его из закона сохранения энергии. Явление самоиндукции. Индуктивность. 

2

13

Токи замыкания и размыкания цепей. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии.

2

14

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Вихревой характер поля. Токи смещения. Система уравнений Максвелла. Энергия и плотность энергии электромагнитного поля.

2

15

Гармонические механические колебания. Кинематика и динамика гармонических колебаний. Сложение колебаний. Энергия колебаний.

2

16

Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Энергия. Свободные незатухающие и затухающие колебания.

2

17

Вынужденные колебания. Резонанс. Переменный ток. Мощность переменного тока.

2

Третий семестр

34

1

Механические волны в упругой среде. Уравнение бегущей волны. Волновое уравнение. Когерентные волны. Принцип суперпозиции волн. Интерференция волн. Стоячие волны. Электромагнитные волны. Основные свойства электромагнитных волн. Волновое уравнение. Поток энергии. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность волны.

4

2

Световая волна. Когерентные световые волны. Интерференция света. Расчет интерференционной картины от двух источников.

2

3

Интерференция света в тонких пленках. Плоскопараллельная пластинка. Пластинка переменной толщины (клин).

2

4

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на прямоугольной щели. Дифракционная решетка. Разрешающая способность оптических приборов. 

4

5

Поляризация света. Виды поляризации. Закон Малюса. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Поляризационные призмы. Интерференция поляризованных лучей. Вращение плоскости поляризации.

4

6

Тепловое излучение. Закон Кирхгофа. Закон Стефана Больцмана. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон смещения Вина. Формула Релея-Джинса. Квантовая гипотеза Планка.

2

7

Фотоэффект. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновой дуализм света.

2

8

Дифракция электронов. Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределенностей. Волновая функция. Временное и стационарное уравнения Шредингера. Смысл пси-функции. Частица в “потенциальной яме”. Туннельный эффект.

4

9

Электропроводность твердых тел. Сверхпроводимость. Валентная зона и зона проводимости. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Контактные явления. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход).

3

10

Атом водорода в квантовой механике. Принцип Пуали. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядное число. Дефект массы и энергия связи ядра.

4

11

Законы естественного радиоактивного распада. Ядерная энергетика. Классификация элементарных частиц.

3

Итого по дисциплине в целом

102

Тематика практических занятий

Кол-во академических часов

1

2

3

Первый семестр

17

1

Кинематика и динамика поступательного движения.

2

2

Законы сохранения импульса и энергии.

2

3

Динамика вращательного движения. Закон сохранения момента импульса. Кинетическая энергия.

2

4

Идеальный газ. Газовые законы. Уравнение Менделеева – Клапейрона.

2

5

Молекулярно-кинетическая теория газов.

2

6

Первое начало термодинамики. Применение первого начала к термодинамическим процессам.

2

7

Круговые процессы. КПД тепловой машины.

2

8

Расчет изменения энтропии в различных термодинамических процессах.

1

9

Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Явления переноса.

2

Второй семестр

17

1

Закон Кулона. Напряженность поля точечного заряда.

2

2

Применение теоремы Гаусса-Остроградского для расчета электростатических полей.

2

3

Работа, перемещение заряда в электрическом поле. Потенциал. Градиент потенциала.

2

4

Постоянный ток. Закон Ома. Правила Кирхгофа.

2

5

Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца.

2

6

Магнитная индукция. Расчет магнитной индукции постоянного магнитного поля.

1

7

Сила Ампера. Сила Лоренца.

2

8

Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

2

9

Механические и электромагнитные колебания.

2

Итого по дисциплине в целом

34

Тематика лабораторных работ

Кол-во академических часов

1

2

3

Первый семестр

17

1

Теория погрешностей.

2

2

Изучение законов поступательного движения.

2

3

Изучение закон сохранения импульса и механической энергии.

2

4

Изучение законов вращательного движения.

2

5

Изучение закона сохранения момента импульса.

1

6

Определение моментов инерции твердых тел.

2

7

Изучение изопроцессов.

2

8

Определение адиабатной постоянной.

2

9

Расчет изменения энтропии при теплообмене.

2

Второй семестр

17

1

Изучение электромагнитных приборов. Изучение осциллографа.

2

2

Исследование электростатического поля.

2

3

Изучение законов постоянного тока.

2

4

Исследование магнитного поля соленоида в вакууме.

2

5

Изучение движения заряда в электрических и магнитных полях.

4

6

Изучение затухающих электромагнитных колебаний.

3

7

Изучение вынужденных электромагнитных колебаний. Электрический резонанс.

2

Третий семестр

17

1

Изучение основных свойств волнового процесса на поверхности воды.

2

2

Изучение звуковых волн.

2

3

Изучение стоячей волны.

1

4

Изучение явления интерференции.

2

5

Изучение явления дифракции.

2

6

Изучение явления поляризации.

2

7

Изучение законов теплового изучения.

2

8

Изучение внешнего фотоэффекта.

2

9

Изучение квантовых свойств света.

2

Итого по дисциплине в целом

51