|
Предисловие
Курс строится на основе сочетания лекций, лабораторных и семинарских занятий, а также самостоятельной работы студентов и имеет целью дать студентам:
последовательную систему физических знаний, необходимых для становления их естественнонаучного образования, формирования в сознании физической картины окружающего мира;
Практические навыки, необходимые для применения физических законов к решению конкретных физических задач и проведения физического эксперимента;
представление о возможностях применения физических методов исследования в профессиональной деятельности специалистов естественного профиля.
Основными формами контроля являются коллоквиумы, собеседования во время выполнения и сдачи лабораторных работ, зачеты и экзамены.
Программа рассчитана на 180 часов аудиторных занятий (68 часов лекций, 44 часа семинаров, 54 часа лабораторных работ).
ВВЕДЕНИЕ
Физика как наука, изучающая наиболее общие свойства материи и формы ее движения. Методы физического исследования. Физические абстракции, роль моделей. Связь физики с другими науками и техникой. Важнейшие этапы в истории физики.
МЕХАНИКА
Кинематика материальной точки. Относительность движения. Система отсчета. Описание движения в координатной и векторной формах. Перемещение, скорость, ускорение. Тангенциальное и нормальное ускорения. Движение по криволинейной траектории. Движение по окружности.
Динамика материальной точки и системы точек. Закон Ньютона. Второй закон Ньютона в дифференциальной форме. Решение уравнений движения. Роль начальных условий. Центр масс и закон его движения. Закон сохранения импульса. Момент силы и момент импульса. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса.
Работа и энергия. Работа и кинетическая энергия. Потенциальные и не потенциальные силы. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике. Универсальный закон сохранения энергии в замкнутых системах. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.
Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Преобразования Галилея. Движение в неинерциальных системах. Силы инерции. Система координат, связанная с Землей. Проявление неинерциальности в геофизических явлениях.
Движение твердых тел. Число степеней свободы движения. Поступательное, плоское, вращательное движения. Момент инерции тел, уравнения их вращательного движения. Кинетическая энергия при плоском движении. Свободные оси вращения. Гироскопический эффект. Гироскопы и их применение.
Деформация тел. Типы и параметры деформаций. Закон Гука. Упругие и пластические деформации в земной коре, тектонические явления.
Движение жидкостей. Поле скоростей, линии и трубки тока жидкостей. Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли, его приложения. Течение вязкой жидкости.
Колебательное движение. Гармонические колебания, условие их возникновения. Уравнение гармонического осциллятора (груз на пружине, математический и физический маятники). Период и частота колебаний. Сложение колебательных движений, биения, фигуры Лиссажу. Затухающие колебания, вынужденные колебания. Явление резонанса, амплитудные и фазовые резонансные кривые.
Упругие волны. Монохроматическая упругая волна, ее уравнение и основные характеристики. Поляризация волн. Сложение волн, явление интерференции. Стоячие волны. Отражение волн от сред с различной плотностью. Сейсмография.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Молекулярно-кинетическая теория. Статистический подход к описанию системы многих частиц. Состояние вещества и определяющие его параметры. Модель идеального газа. Основное уравнение кинетической теории газов. Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла) и в поле потенциальных сил (распределение Больцмана). Барометрическая формула. Атмосфера Земли и других планет.
Явления переноса - диффузия, внутреннее трение и теплопроводность.
Первый закон термодинамика. Внутренняя энергия. Теплота и работа. Число степеней свободы молекул. Закон о равнораспределении энергии по степеням свободы. Теплоемкость идеального газа. Работа, совершаемая газом при различных изопроцессах.
Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Циклические процессы. Цикл Карно, его КПД. Различные формулировки второго закона термодинамики. Понятие об энтропии - функции состояния системы. Свободная энергия. Возрастание энтропии при необратимых процессах. Границы применимости второго закона термодинамики. Роль термодинамики в биологии и почвоведении.
Реальные газы. Силы взаимодействия между молекулами. Переход из газообразного состояния в жидкое. Уравнение состояния реального газа. Критическое состояние, его параметры и свойства.
Молекулярные силы в жидкостях. Поверхностная энергия. Коэффициент поверхностного натяжения. Давление под изогнутой поверхностью жидкости. Смачивание. Капиллярные явления, их роль в физических процессах в почве.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Электростатическое поле, его напряженность. Теорема Гаусса-Остроградского, ее следствия. Потенциал, разность потенциалов. Связь потенциала с напряженностью электрического поля. Уравнение Пуассона.
Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Распределение зарядов на проводнике в электрическом поле. Электростатическая защита. Электроемкость, конденсаторы. Емкость конденсаторов различной геометрической конфигурации. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.
Диэлектрики в электрическом поле. Механизм поляризации диэлектриков. Полярные и неполярные молекулы. Диэлектрическая проницаемость. Сегнето- и пьезоэлектрики.
Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Законы Ома и Джоуля - Ленца. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС, в дифференциальной форме. Разветвленные цепи, законы Кирхгофа.
Теория электропроводности твердых тел. Зависимость сопротивления металлов от температуры - классический подход. Явление сверхпроводимости. Высокотемпературная сверхпроводимость. Полупроводники. Электролиты.
Магнитное поле. Вектор индукции магнитного поля. Магнитный момент рамки с током. Закон Био-Савара-Лапласа. Поток вектора индукции магнитного поля через замкнутую поверхность. Теорема о циркуляции вектора индукции. Магнитная индукция в соленоиде. Действие магнитного поля на проводник с током, на движущийся заряд (сила Ампера, сила Лоренца).
Вещество в магнитном поле. Магнитный момент атома. Намагниченность. Магнитная восприимчивость. Диа-, пара- и ферромагнетизм.
Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Самоиндукция и индуктивность. Индуктивность соленоида. Плотность энергии магнитного поля. Взаимоиндукция. Трансформация токов и напряжений.
Переменный электрический ток и электрические колебания. Прохождение переменного тока через емкость и индуктивность. Закон Ома для цепей переменного тока, содержащих омическое сопротивление, емкость и индуктивность.
Колебательный контур. Дифференциальное уравнение собственных электромагнитных колебаний в контуре и его решение. Собственная частота колебаний. Затухающие колебания. Вынужденные колебания в последовательном контуре. Явление электрического резонанса.
Связь электрического и магнитного полей. Основные положения и обобщения теории Максвелла. Вихревое электрическое поле. Токи смещения. Уравнения Максвелла в интегральной форме. Волновое уравнение и его решение. Электромагнитная волна. Скорость распространения электромагнитных волн. Поток электромагнитной энергии. Проблема биополей. Шкала электромагнитных волн.
Принцип относительности в электродинамике. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца, следствия из них: сокращение движущихся масштабов длин, замедление движущихся часов, закон сложения скоростей. Относительность электрических и магнитных полей.
ОПТИКА
Интерференция света. Световая волна. Природа света. Понятие об интерференции. Когерентность. Интерференционные схемы. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равного наклона и равной толщины. Кольца Ньютона.
Дифракция света. Понятие о дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера на щели. Дифракционная решетка.
Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление в анизотропных кристаллах. Интерференция поляризованных лучей. Прохождение плоскополяризованного света через кристаллическую пластинку.
Взаимодействие света с веществом. Законы преломления и отражения световых волн. Полное внутреннее отражение. Поглощение света. Закон Бугера. Линии и полосы поглощения. Рассеяние света. Закон Рэлея. Дисперсия света. Явление нормальной и аномальной дисперсии.
Рентгеновские лучи. Природа рентгеновских лучей (сплошной спектр и характеристическое рентгеновское излучение). Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Формула Вульфа-Брэга, лауэграммы, дебаеграммы.
ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ
Тепловое излучение. Равновесное тепловое излучение. Закон Кирхгофа. Излучение абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана. Закон смешения Вина и его следствия. Формула Рэлея-Джинса. Гипотеза и формула Планка для излучения.
Фотоэффект. Опыт Боте. Фотоны. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновой дуализм.
Боровская теория атома. Спектральные закономерности. Опыты по рассеянию a-частицы. Модель атома Резерфорда. Постулаты Бора. Боровская теория атома водорода. Опыты Франка и Герца.
Элементы квантовой механики. Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Волновые свойства частиц. Принцип неопределенности. Волновая функция. Уравнения Шредингера. Квантование энергии. Квантовый гармонический осциллятор. Момент импульса и спин электронов. Квантование момента импульса. Опыт Штерна и Герлаха.
Электронная структура атома. Квантовые числа. Принцип Паули. Распределение электронов по энергетическим уровням атома. Периодическая система элементов Менделеева. Спонтанное и вынужденное излучение. Принцип работы лазера.
Состав и характеристика атомного ядра. Масса и энергия связи ядра. Модели атомного ядра. Ядерные силы. Радиоактивность. Ядерные реакции Деление ядер. Термоядерные реакции
Примерный перечень тем лабораторных работ по курсу физики
1.Определение момента инерции тел различной формы и проверка теоремы Штейнера
2.Изучение свободных, затухающих и вынужденных механических колебаний
3.Изучение законов вращательного движения твердого тела
4.Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения раствора от его концентрации
5.Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса
6.Определение отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме
7.Изучение законов электрического поля
8.Изучение законов магнитного поля
9.Изучение интерференции света
10.Изучение дифракции света
11.Изучение основных явлений поляризации света
12.Изучение ядерного магнитного резонанса
13.Опыт Франка и Герца.
|