Составили: профессор Ракобольская И.В. доценты Белов Д.В., Свирина Е.П.

Целью преподавания и задачами изучения курса физики являются:

1. Опираясь на аппарат высшей математики, выработать у студентов более глубокое и широкое понимание физической картины мира, чем это было возможно в средней школе.

2. Создать базу для восприятия студентами специальных физических вопросов, излагаемых в спецкурсах.

3. Привить студентам .навыки физических измерений; дать сведения, необходимые для понимания и грамотного применения методов и приборов ядерной физики в геофизике.

Объем курса "Физика": лекции - 144 часа, лабораторные занятия - 60 часов, семинарские занятия - 96 часов.

Содержание курса. Курс "Физика" состоит из разделов "Механика", "Электричество и магнетизм", "Оптика", "Элементы атомной физики и квантовой механики", "Физика газообразного, жидкого и твердого состояний вещества", "Ядерная физика".

Роль теории и эксперимента в развитии физики. Физика и математика. Значение физических методов исследования для геологии.

Кинематика точки. Системы отсчета. Траектория. Кинематический закон движения. Путь. Перемещение. Скорость. Ускорение. Разложение ускорения на нормальное и тангенциальное. Угловые скорость и ускорение.

Динамика материальной точки. Инерциальные системы отсчета. Преобразования Галилея. Сила. Виды сил, изучаемых в механике. Закон всемирного тяготения. Ускорение свободного падения. Первая космическая скорость. Упругие силы. Закон Гука для деформаций растяжения - сжатия, сдвига, кручения, изгиба. Силы сухого и жидкого трения. Масса. Второй закон Ньютона как дифференциальное уравнение движения. Примеры нахождения кинематического закона движения как решения уравнения движения: свободное падение в однородном поле сил тяжести; движение тела в вязкой жидкости; свободные колебания тела на пружине.

Динамика системы материальных точек. Теорема о движении центра масс. Импульс. Закон изменения и сохранения импульса. Момент силы и момент импульса относительно точки и относительно оси. Закон изменения и сохранения момента импульса. Работа. Вычисление работы сил тяготения и упругой силы. Потенциальные и непотенциальные (консервативные и неконсервативные) силы. Кинетическая и потенциальная энергии. Закон превращения и сохранения механической энергии. Связь между силой и потенциальной энергией, примеры потенциальных кривых. Вторая космическая скорость.

Механика твердого тела. Понятие о степенях свободы. Кинематика поступательного, вращательного и плоского движений. Теорема о движении центра масс твердого тела. Центр тяжести. Уравнение движения для вращения тела относительно оси (уравнение моментов). Момент инерции тела, примеры его вычисления. Теорема о параллельных осях. Закон сохранения момента импульса системы тел, примеры его проявления. Прецессия гироскопа. Динамика плоского движения. Кинетическая энергия при вращательном и плоском движении тела.

Законы механики в неинерциальных системах отсчета. Ускорение Кориолиса. Уравнения движения материальной точки в равноускоренной и равномерно вращающейся неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. Принцип эквивалентности. Невесомость. Центробежная и кориолисова силы инерции, примеры их проявления в системе отсчета, связанной с Землей. Приливы и отливы.

Кинематика колебаний. Понятие о колебаниях. Гармоническое колебание и его характеристики: амплитуда, период и частота, фаза. Понятие о разложении Фурье. Векторная диаграмма колебания. Сложение коллинеарных колебаний с одинаковыми частотами. Биения. Сложение взаимно-перпендикулярных гармонических колебаний. Фигуры Лиссажу.

Динамика механических колебаний. Свободные колебания различных гармонических осцилляторов (уравнение движения и его решение):тело на пружине, физический и математический маятники; крутильные колебания. Понятие о нелинейных колебаниях. Общее представление о свободных колебаниях в системах с несколькими колебательными степенями свободы. Свободные затухающие колебания: уравнение движения осциллятора при наличии сил жидкого трения; формула затухающего колебания; коэффициент и логарифмический декремент затухания. Превращения энергии при свободных механических колебаниях. Вынужденные колебания: уравнение движения и его решение. Фазовые и амплитудные резонансные кривые. Резонанс. Понятие о добротности осциллятора.

Кинематика волновых процессов. Общие представления о бегущей волне. Формула волны, распространяющейся вдоль оси Ох. Дифференциальное волновое уравнение. Формула монохроматической волны. Длина волны и волновое число. Фронт, волновые поверхности, лучи. Плоская и сферическая волны. Стоячая волна. Понятие о поляризации волн, о явлениях интерференции и дифракции.

Динамика упругих волн. Вывод волнового уравнения: для продольной волны в упругом стержне; для поперечных волн на натянутой струне. Стоячие волны как собственные колебания струны.

Элементы гидродинамики. Понятие о турбулентном, ламинарном и стационарном течениях жидкости и газа. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Движение вязкой жидкости. Закон Ньютона для силы внутреннего трения. Течение вязкой жидкости по трубе:распределение скоростей по сечению трубы; формула Пуазейля.

Электростатическое поле. Понятие об электростатическом поле и электрическом заряде. Закон Кулона. Напряженность. Принцип суперпозиции. Линии напряженности. Поток напряженности. Теорема Гаусса. Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости. Поле сферически симметрично распределенного заряда. Работа электростатических сил. Теорема о циркуляции напряженности. Потенциал и разность потенциалов. Потенциал поля точечного заряда. Эквипотенциальные поверхности. Связь между потенциалом и напряженностью.

Проводники в электростатическом поле. Условия равновесия зарядов на проводнике. Электроемкость. Теория плоского конденсатора. Энергия электрического поля.

Общее представление о структуре диэлектриков. Электрический диполь: поле диполя, поведение диполя во внешнем электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации. Электрическая восприимчивость вещества. Связь между вектором поляризации и поляризационными зарядами. Теорема Гаусса при наличии диэлектриков. Вектор электрического смещения. Электрическая проницаемость вещества. Уравнения электростатики в интегральной форме (теоремы о потоке и циркуляции). Понятие о краевых задачах электростатики.

Постоянное магнитное поле токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Принцип суперпозиции. Формула Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле прямого и кругового токов. Теоремы о потоке и циркуляции вектора магнитной индукции (без доказательства). Поле бесконечно длинного соленоида. Взаимодействие параллельных проводников с током. Действие магнитного поля на контур с током. Сила Лоренца. Движение заряда в магнитном поле.

Намагничение вещества (в рамках модели молекулярных токов). Вектор намагничивания. Связь упорядоченных молекулярных токов с вектором намагничивания. Уравнения постоянного магнитного поля в интегральной форме (теоремы о потоке и циркуляции) при наличии вещества. Вектор напряженности магнитного поля и его основные свойства. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость вещества.

Законы электрического тока. Электрический ток. Сила и плотность тока. ЭДС и напряжение.

Постоянный электрический ток. Закон Ома для участка цепи без ЭДС, для участка цепи с ЭДС и для всей неразветвленной цепи. Закон Джоуля-Ленца. Дифференциальная форма законов Ома и Джоуля -Ленца. Правила Кирхгофа для разветвленной цепи.

Квазистационарные токи. Условие квазистационарности. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для ЭДС индукции. Токи Фуко. Самоиндукция. Индуктивность. Взаимная индукция. Энергия магнитного поля. Дифференциальное уравнение для цепи квазистационарного тока с сосредоточенной емкостью, индуктивностью и сопротивлением (второе правило Кирхгофа). Зарядка и разряд конденсатора через сопротивление. Установление и исчезновение тока в цепи с индуктивностью и сопротивлением.

Синусоидальный переменный ток. Закон Ома для участков цепи с сопротивлением, емкостью и' индуктивностью и для всей цепи. Энергия и мощность в цепи переменного тока. Собственные и вынужденные электрические колебания в колебательном контуре. Добротность контура.

Электромагнитное поле. Первая и вторая гипотезы Максвелла как обобщения теорем о циркуляции напряженности электрического и магнитного полей. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме.

Электромагнитные волны. Скорость распространения электромагнитных волн в диэлектрических средах. Формула плоской линейно поляризованной монохроматической электромагнитной волны. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга. Излучение элементарного диполя.

Квантовая природа света. Геометрическая и волновая оптика как приближенные оптические теории.

Интерференция света. Когерентность колебаний как условие интерференции. Условие временной когерентности. Расчет интерференционной картины от двух точечных монохроматических источников света; примеры реализации этой схемы. Оптическая разность хода. Влияние размеров источника света и его немонохроматичности на интерференционную картину. Интерференция в тонких пленках. Применение интерференции света.

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Методы зон Френеля и векторных диаграмм для расчета дифракционной картины. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на щели. Дифракционная решетка в монохроматическом света. Дифракционная решетка как спектральный аппарат. Дифракция рентгеновских лучей. Разрешающая сила объектива. Понятие о голографии.

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Оптическая анизотропия одноосных двоякопреломляющих кристаллов. Построение обыкновенных и необыкновенных лучей при помощи принципа Гюйгенса. Поляризационные приспособления. Интерференция поляризованных лучей. Искусственная оптическая анизитропия при деформациях. Эффекты Керра и Коттон-Мутона. Явление вращения плоскости поляризации. Эффект Фарадея. Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела изотропных диэлектриков. Закон Брюстера.

Классическая теория взаимодействия света с веществом (модель осцилляторов). Электронная теория дисперсии света. Поглощение света. Законы Бугера и Бугера-Бера. Рассеяние света.

Явления, противоречащие волновой теории света: законы теплового излучения, фотоэффект, эффект Комптона, линейчатые спектры атомов. Гипотезы Планка и Эйнштейна о световых квантах.

Квантовомеханическое описание поведения электрона. Гипотеза де Бройля и ее экспериментальное подтверждение. Уравнение Щредингера. Физический смысл волновой функции. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Стационарные состояния, понятие о квантовых числах. Частица в одномерном потенциальном ящике с бесконечными стенками.

Строение атома и атомные спектры. Теория водородоподобного атома: уравнение Щредингера для электрона в кулоновском поле; уровни энергии стационарных состояний; объяснение спектральных закономерностей. Энергетические уровни и спектры атомов щелочных металлов; объяснение их дублетной структуры. Понятие о мультиплетах.

Классическая молекулярно-кинетическая теория идеальных газов. Понятие о вероятности. Средние значения случайных величин. Модель идеального газа. Основное уравнение кинетической теории газов. Равномерное распределение кинетической энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа.

Функция распределения молекул идеального газа по скоростям и энергиям. Распределение Максвелла. Наивероятнейшая и средняя скорости. Экспериментальная проверка распределения Максвелла (опыт Штерна). Распределение по энергиям Больцмана. Барометрическая формула. Закон Максвелла - Болъцмана.

Явление переноса в газах; диффузия, теплопроводность и внутреннее трение. Длина свободного пробега и ее зависимость от эффективного сечения молекулы и концентрации молекул.

Первый закон термодинамики. Равновесные процессы: изотермический, изохорический, изобарический, адиабатический. Работа при изотермическом и адиабатическом процессах. Молярные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении.

Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые циклические процессы. Цикл Карно. КПД идеальной машины, работающей по циклу Карно. Энтропия. Неравенство Клаузиуса. Энтропия и беспорядок.

Реальные газы. Молекулярные силы взаимодействия, потенциальная энергия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Теоретические и экспериментальные изотермы. Критические значения давления, объема и температуры. Внутренняя энергия реального газа.

Молекулярные силы в жидкостях. Поверхностное натяжение. Давление под изогнутой поверхностью жидкости. Капиллярные явления.

Твердое тело. Типы связей в кристаллах: ионная, атомная, ковалентная, металлическая и молекулярная. Типы кристаллических решеток. Механические свойства твердого тела. Деформация и дефекты в кристаллах.

Тепловые свойства твердых тел. Излучение абсолютно твердого тела. Теплоемкость. Закон Дюлонга и Пти. Теория теплоемкости Дебая. Температура Дебая. Тепловое расширение твердых тел. Понятие о фононах. Сравнение теории теплоемкости с экспериментом.

Квантовый электронный газ. Статистика Ферми - Дирака. Распределение электронов по энергиям. Импульсное пространство, связь энергии Ферми с концентрацией свободных электронов. Понятие о температуре вырождения.

Элементы зонной теории. Качественное описание возникновения энергетических зон как результат перекрытия волновых функций электронов. Электрон и волна де Бройля. Зависимость энергии электрона от волнового вектора в К-пространстве. Условие возникновения запрещенных зон энергий.

Металлы. Зонная структура металлов. Поведение электронов в металле. Эффективная масса и подвижность электронов в металле. Способ определения концентрации и подвижности носителей тока в металлах. Эффект Холла. Электропроводность металлов. Температурная зависимость электросопротивления металлов. Закон Маттиссена.

Сверхпроводимость. Определение, критические температура и магнитное поле. Эффект Мейсснера. Энергетическая щель. Теория сверхпроводимости Бардена-Купера-Шриффера (БКШ). Высокотемпературные сверхпроводники. Практическое использование сверхпроводников.

Полупроводники. Собственные и примесные (п- и р- типа). Уровень Ферми в полупроводниках. Закон изменения концентрации носителей тока с температурой в валентной зоне и зоне проводимости.

Способы определения ширины запрещенных зон собственных и примесных полупроводников. Термосопротивление, фотосопротивление, . п-р-переход. Контактная разность потенциалов и контактное сопротивление. Полупроводниковые диоды. Принцип действия оптических квантовых генераторов (лазеров).

Диэлектрики. Дипольный электрический момент. Диэлектрическая проницаемость неполярных и полярных диэлектриков. Диэлектрики в переменном электрическом поле. Диэлектрические потери. Сегнетоэлектрики. Самопроизвольная поляризация. Доменная структура сегнетоэлектриков. Точка Кюри. Гистерезис. Пьезоэффект. Обратный пьезоэффект. Практическое применение сегнетоэлектриков.

Магнитные свойства атома. Орбитальный, спиновый и ядерный магнитные моменты. Гиромагнитное отношение, фактор g, магнетон Бора. Квантовые числа n, е, me , ms

Диамагнетизм. Теорема Лармора. Циклотронная частота. Диамагнитная восприимчивость. Поведение диамагнетика в магнитном поле.

Парамагнетизм. Классическая и квантовая теория парамагнетизма. Закон Кюри и закон Кюри-Вейсса. Парамагнетизм свободных электронов. Парамагнитный резонанс.

Ферромагнетизм. Свойства ферромагнетиков: температурная зависимость намагниченности, кривая намагничивания, петля гистерезиса, анизотропия. Природа ферромагнетизма. Магнитные и обменные электростатические силы в решетке. Электрические свойства ферромагнетиков. Магнитострикция и гальваномагнитные эффекты.

Антиферро- и ферримагнетики. Модель двух подрешеток. Косвенное обменное взаимодействие. Ферриты. Температурная зависимость спонтанной намагниченности ферритов. Точки Кюри и Нееля.

Практическое использование магнитных материалов.

Стабильные ядра и ядерные силы. Основные характеристики протона и нейтрона: масса, заряд, спин, магнитный момент, взаимные превращения нуклонов. Ядро как совокупность протонов и нейтронов. Заряд ядра. Размеры ядер. Энергия связи ядра. Масса и энергия ядра. Полу эмпирическая формула Вайцзекера для масс ядра. Спин и магнитный момент ядра. Ядерные модели.

Методы исследования ядерных сил. Эффективное сечение взаимодействия. Характерные особенности ядерных сил: сила взаимодействия и радиус действия; потенциальная энергия взаимодействия нуклонов; зарядовая независимость; зависимость от спинов; свойство насыщения; обменный характер.

Основы мезонной теории ядерных сил. Квантовая модель адронов.

Неустойчивые ядра. Причины неустойчиости ядер. Естественная радиоактивность. Общие законы радиоактивного распада. Статистический характер распада. Постоянная распада. Период полураспада и среднее время жизни. Определение постоянной распада. Активность. Единицы измерения. Радиоактивные ряды. Трансурановые элементы. Использование изотопных индикаторов в геофизике. Альфа-распад. Законы сохранения энергии и импульса. Тонкая структура альфа-спектров. Длиннопробежные частицы. Туннельный эффект. Бета-распад. Энергетический спектр электронов и позитронов. Роль нейтрино. Законы сохранения при бета-распадных процессах. Опыты Алле-на. Гамма-излучение ядер. Внутренняя конверсия. Ядерная изомерия. Эффект Мессбауэра и его применение в геофизике.

Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Ионизационные потери энергии. Упругое рассеяние. Тормозное излучение. Излучение Вавилова-Черенкова. Пробег заряженных частиц в веществе.

Прохождение гамма-излучения через вещество. Экспоненциальный закон поглощения. Фотоэффект. Комптоновское рассеяние. Рождение пар. Зависимость эффективных сечений процессов от энергии гамма-излучения и заряда вещества. Электромагнитные линии. Биологическое действие излучений и защита от них.

Ядерные реакции. Общие закономерности. Законы сохранения Эффективные сечения и выходы ядерных реакций. Теория составного ядра Бора. Вероятности различных каналов реакций. Реакции под действием нейтронов, протонов и гамма-излучения.

Физика нейтронов. Источники нейтронов. Взаимодействие нейтронов с веществом. Искусственная радиоактивность. Методы регистрации нейтронов. Замедление и диффузия нейтронов.

Деление и синтез ядер. Деление ядер. Свойства продуктов деления. Элементарная теория деления. Цепная реакция и ядерные реакторы. Возможность использования энергии деления. Термоядерный синтез.

Элементарные частицы. История открытия элементарных частиц. Классификация частиц и виды их взаимодействия. Свойства (характеристики) частиц; законы сохранения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Краткий курс общей физики под общ.ред. Пустовалова Г.Е. Изд.МГУ: ч.1 (вып.1 и 2). Механика (1982); ч.П. Молекулярная физика (1983); ч.Ш. Электричество и магнетизм (1981); ч.IY. Оптика (1982).

2. Белов Д.В. Механика, -  ФизФак МГУ им. Ломоносова, 1998.

3. Белов Д.В. Электромагнетизи и волновая оптика, - Изд. МГУ, 1994

4. Савельев И. В. Курс общей физики.

5. Пустовалов Г.Е. Атомная и ядерная физика,- Изд.МГУ, 1968.

6. Епифанов Г.И. Физика твердого тела,- М., Высшая школа, 1977.

7. Ракобольская И.В. Ядерная физика.- Изд.МГУ, 1971.

8. Мухин К.Н. Введение в ядерную физику.

9.Свирина Е.П., Шляхина Л.П. Элементы физики твердого тела., МГУ, 1991

10. Свирина Е.П., Шляхина Л.П. Электрические и магнитные свойства твердого тела, - Изд. МГУ, 1997.

Дополнительная литература

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. - М., 1976.

2. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела.- М., 1969.

3. Киттель Ч. Элементарная физика твердого тела.- М., 1965.

4. Скачков С.В. и др. Сборник задач по ядерной физике,- 1958.

5. Антонова И.А. и др. Сборник задач по ядерной физике.- Изд.МГУ, 1979.

6. Бардина А.Н. Практикум по ядерной физике для геологов.- Изд.МГУ, 1977.

7. Варикаш В.М., Хачатрян Ю.М. Избранные задачи по физике твердого тела,- Минск, 1969.

Индивидуальная работа со студентами: практическое применение студентами задач в общем физическом и ядерном специальном практикуме под контролем преподавателя.

Самостоятельная работа студентов включает в себя:

1. Самостоятельное изучение целых тем теоретического курса "Виды сил, изучаемых в механике", "Кинематика колебаний", "Законы постоянного тока" и др., а также ряд фрагментов (например, вывод отдельных формул), опускаемых при чтении лекционного курса.

2. Изучение теоретического материала в процессе подготовки к семинарским занятиям и к выполнению лабораторных работ.

3. Решение задач (в форме домашних заданий).

Текущий контроль за работой:

1. В рамках семинарских занятий - краткий опрос по теории на каждом занятии; регулярная проверка выполнения домашних заданий;

проведение письменных контрольных работ и коллоквиумов по пройденному материалу.

2. В рамках лабораторных занятий - полный, опрос по теории как условие допуска к выполнению очередной задачи; требование полной сдачи зачета, включая расчеты, не позднее двух недель после ее выполнения.

Форма контроля: зачеты и экзамены.