Учебная программа Дисциплины ен. Ф. 04 «Физика» по специальности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра общей физики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета

____________________Якимов А.В.

«27» июня 2012 г.

Учебная программа

Дисциплины ЕН.Ф.04 «Физика»

по специальности 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»

Нижний Новгород

2012 г.

1. Область применения

Данная дисциплина относится к общим математическим и естественнонаучным дисциплинам федерального компонента, преподается в 1-4 семестрах.

2. Цели и задачи дисциплины

Целью изучения курса физики является создание целостной системы знаний, формирующей физическую картину окружающего мира, умение строить физические модели и решать конкретные задачи заданной степени сложности. Физика — одна из основных естественных наук. Будучи фундаментальной дисциплиной, физика является основой для целого ряда общепрофессиональных и специальных дисциплин. Одна из основных задач курса — подготовка слушателей к последующему успешному изучению дисциплин, требующих предварительного изучения физики.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны знать:

основные физические законы, их математическое выражение и границы применимости;

физические модели, отражающие свойства реального мира;

уметь:

практически применять теоретические знания, методы теоретического и экспериментального исследования при решении физических задач;

иметь представление:

об основных философских и методологических проблемах современной физики и о роли физики в научно-техническом прогрессе;

о Вселенной в целом как физическом объекте и ее эволюции; о фундаментальном единстве естественных наук, незавершенности естествознания и возможности его дальнейшего развития;

о дискретности и непрерывности в природе; о соотношении порядка и беспорядка в природе, упорядоченности строения объектов, переходах в неупорядоченное состояние и наоборот;

о динамических и статических закономерностях в природе; о вероятности как объективной характеристике природных систем;

об измерениях и их специфичности в различных разделах естествознания; о фундаментальных константах естествознания;

о принципах симметрии и законах сохранения; о соотношении эмпирического и теоретического в познании;

о физическом моделировании; о новейших открытиях естествознания, перспективах их использования для технических устройств;

иметь навыки:

применения математического аппарата для решения физических задач.

4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

Общая трудоемкость дисциплины

500

1

2

3

4

Аудиторные занятия

255

68

68

68

51

Лекции

136

34

34

34

34

Практические занятия (ПЗ)

119

34

34

34

17

Семинары (С)

Лабораторные работы (ЛР)

Другие виды аудиторных занятий

Самостоятельная работа

245

60

60

60

65

Курсовой проект (работа)

Расчетно-графическая работа

Реферат

Другие виды самостоятельной работы (домашние работы)

245

60

60

60

65

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен

экзамен

экзамен

экзамен

экзамен

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1

Механика

34

34

2

Термодинамика и молекулярная физика

34

34

3

Электричество и магнетизм

34

34

4

Колебания и волны

20

10

5

Физика атомов и атомных явлений

14

7

5.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Механика

Предмет современной физики. Методы физического исследования. Идеализация реальных объектов и взаимосвязей между ними. Принципиальная роль физического эксперимента.

Характерные пространственно-временные масштабы. Границы применимости классической механики. Способы описания движения материальной точки. Системы отсчета. Скорость и ускорение. Тангенциальное и нормальное ускорения. Вращательное движение, угловая скорость и угловое ускорение.

I, II и III законы Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. II закон Ньютона как физический закон, понятия силы и инертной массы.

II закон Ньютона как дифференциальное уравнение движения. Роль начальных условий. Основные типы динамических задач. Движение материальной точки под действием постоянной силы. Движение под действием силы, пропорциональной скорости.

Примеры «упругой» силы, гармонический осциллятор. Динамика вращательного движения материальной точки.

Уравнение моментов для материальной точки. Закон сохранения момента импульса в центральном силовом поле. Механическая работа и мощность. Консервативные силы. Потенциальная энергия материальной точки.

Теорема о кинетической энергии. Механическая энергия, теорема об изменении механической энергии. Закон сохранения механической энергии материальной точки в поле консервативных сил.

Потенциальная энергия и устойчивость состояния равновесия материальной точки. Одномерное движение материальной точки в потенциальном поле, финитные и инфинитные движения. Движение в центрально-симметричном поле.

Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Понятие потенциала. Вычисление полей по принципу суперпозиции. Вектор индукции магнитного поля, сила Лоренца.

Действие магнитного поля на проводник с током, сила Ампера. Момент сил, действующих на рамку с током. Движение частицы в однородном магнитном поле. Дрейфовое движение в скрещенных электрическом и магнитном полях. Эффект Холла.

Деформации растяжения и сдвига. Закон Гука. Упругие константы вещества. Отклонения от закона Гука при больших деформациях (нелинейность, пластичность). Электромагнитная природа упругих сил.

Сухое трение. Закон Амонтона-Кулона. Трение скольжения. Работа сил трения. Вязкое трение, формула Ньютона. Ламинарное течение вязкой жидкости в трубе, формула Пуазейля.

Силы, действующие на тела, движущиеся в вязкой среде. Закон Стокса. Аэродинамические силы. Число Рейнольдса.

Эквивалентность гравитационной и инертной масс. Гравитационное поле, гравитационный потенциал. Движение материальной точки в поле тяготения. I, II, III космические скорости. Вес и невесомость тел.

Система отсчета, ускоренно движущаяся относительно инерциальной. Силы инерции. Вращающаяся система отсчета. Теорема Кориолиса. Центробежная и кориолисова силы. Земля как неинерциальная система отсчета. Маятник Фуко. Аналогия между силами инерции и тяготения.

Опыты Физо и Майкельсона. Преобразования Лоренца и некоторые следствия из них (относительность одновременности, лоренцово сокращение длины, замедление хода движущихся часов). Понятие интервала. Релятивистский закон сложения скоростей.

Релятивистская масса. Связь релятивистской массы с энергией, а также энергии с импульсом. Фотон как частица с нулевой массой покоя. Давление света. Искривление световых лучей и смещение частоты квантов в поле тяготения.

Теорема об изменении импульса системы материальных точек. Теорема о движении центра масс. Динамика материальной точки с переменной массой, уравнение Мещерского. Реактивная сила. Задача Циолковского, ракеты.

Уравнение моментов для системы материальных точек. Закон сохранения момента импульса. Уравнение моментов относительно оси. Обобщение понятий кинетической и потенциальной энергий для системы материальных точек. Механическая энергия системы материальных точек и условия ее сохранения.

Явление удара (столкновение частиц). Абсолютно неупругий и абсолютно упругий удары двух частиц. Закон Бернулли для стационарного потока идеальной жидкости.

Кинематика твердого тела. Уравнения динамики твердого тела. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции. Теорема Гюйгенса-Штейнера. Кинетическая энергия и работа при вращении вокруг неподвижной оси.

Плоское движение твердого тела, понятие мгновенной оси вращения. Качение тел, трение качения. Кинетическая энергия при плоском движении. Приближенная теория гироскопа. Прецессионное движение гироскопа. Гироскопические силы.

Раздел 2. Молекулярная физика и термодинамика.

Молекулярно-кинетический и термодинамический методы теоретического исследования. Статистическое описание системы из большого числа частиц. Статистические законы, средние значения и флуктуации физических величин. Распределение частиц по объему.

Распределение молекул газа по скоростям. Распределение Максвелла (по вектору и модулю скорости) и его свойства, наивероятнейшая, средняя и среднеквадратичная скорости. Средняя кинетическая энергия как мера температуры.

Давление идеального газа, понятие уравнения состояния газа. Внутренняя энергия идеального газа и ее связь с температурой.

Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Распределение Максвелла-Больцмана.

Теплоемкость газов. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Классическая теория теплоемкости. Недостатки классической теории теплоемкости идеального газа.

Средняя длина свободного пробега молекул в газах. Диффузия, внутреннее трение, теплопроводность газов. Броуновское движение. Вычисление среднего квадрата смещения броуновских частиц. Измерение числа Авогадро.

Уравнение Ван-дер-Ваальса и его свойства. Фазовые переходы. Критическая температура, критические параметры.

Термодинамическое состояние и способы его изменения. Равновесные состояния и процессы, общий принцип термодинамики. Понятие температуры, нулевой принцип термодинамики.

Опыты Джоуля, понятие о внутренней энергии. Количество теплоты, общая формулировка I принципа термодинамики. Соотношение Майера. Уравнение адиабаты для идеального газа. Внутренняя энергия идеального газа и газа Ван-дер-Ваальса. Теплота испарения. Процессы Джоуля-Гей-Люссака и Джоуля-Томпсона.

Проблема превращения теплоты в работу. Формулировки II принципа для тепловых и холодильных машин. Цикл Карно. Теорема Карно.

Термодинамическая шкала температур. Приведенное количество теплоты, равенство Клаузиуса для обратимых процессов. Понятие энтропии для идеального газа. Некоторые следствия из основного уравнения термодинамики (некоторые соотношения взаимности, термомеханические эффекты, уравнение Клапейрона-Клаузиуса).

Необратимые процессы, неравенство Клаузиуса. Возрастание энтропии при необратимых процессах (с примерами). Статистический смысл энтропии и II принципа термодинамики.

Раздел 3. Электричество и магнетизм

Закон Кулона. Напряженность электростатического поля Е произвольного распределения зарядов. Принцип суперпозиции. Поток вектора Е. Электростатическая теорема Гаусса. Теорема Ирншоу.

Теорема о циркуляции поля Е. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле. Потенциал поля точечного заряда. Потенциал произвольного распределения зарядов.

Связь потенциала электростатического поля с напряженностью. Дифференциальная форма электростатической теоремы Гаусса и теоремы о циркуляции поля Е. Уравнения Лапласа и Пуассона.

Проводники в электростатическом поле. Краевая задача электростатики и единственность ее решения. Экранирование электростатического поля проводником. Метод изображений. Электроемкость.

Энергия взаимодействия неподвижных зарядов в вакууме. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии. Электрический диполь. Потенциал и напряженность поля диполя. Сила и момент сил, действующих на диполь в электрическом поле. Энергия диполя во внешнем поле.

Понятие макроскопического (усредненного) поля в среде. Вектор поляризации. Поляризационные (связанные) заряды. Вектор электрической индукции D. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость среды. Уравнения электростатического поля в диэлектриках. Граничные условия для векторов Е и D.

Энергия электростатического поля в диэлектриках, объемная плотность энергии. Пондеромоторные силы в электрическом поле. Механизмы поляризации диэлектриков.

Постоянный электрический ток. Уравнение неразрывности как следствие закона сохранения заряда. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах. Закон Ома с учетом сторонних сил. Правила Кирхгофа. Закон Джоуля — Ленца в дифференциальной и интегральной формах. Закон Джоуля — Ленца для участка цепи с учетом э.д.с. Эффект Пельтье, эффект Томсона, термопара.

Постоянное магнитное поле. Закон Био — Савара — Лапласа. Магнитное поле проводников с током. Ротор и дивергенция магнитного поля В. Теоремы о циркуляции и потоке поля В в интегральной и дифференциальной формах.

Магнитный диполь. Сила и момент сил, действующие на магнитный диполь в магнитном поле. Энергия диполя в магнитном поле. Индукция магнитного поле В магнитного диполя. Закон Ампера. Пондеромоторные взаимодействия проводников с током.

Намагниченность. Вектор намагничения J. Напряженность H магнитного поля в среде. Теорема о циркуляции вектора H. Граничные условия и способы измерения векторов B и H в магнетиках.

Линейные магнетики. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость. Природа магнитных свойств диа- и парамагнетиков. Нелинейные магнетики: ферромагнетики и ферриты. Природа ферромагнетизма. Точка Кюри. Постоянные магниты.

ЭДС индукции в движущихся проводниках. Закон Фарадея. Правило Ленца. Вихревое электрическое поле. Принцип действия динамомашины и электромотора. Индукционный ускоритель электронов (бетатрон).

Индуктивность. Процессы установления в контуре с индуктивностью, электромеханические аналогии. Коэффициент взаимоиндукции. Токи Фуко. Сверхпроводники. Эффект Мейснера. Скин — эффект.

Механическая работа магнитных сил при перемещении витка с током в магнитном поле. Механическая работа магнитных сил взаимодействия системы токов. Магнитная энергия взаимодействия системы токов. Магнитная энергия одиночного контура и двух связанных контуров. Плотность энергии магнитного поля.

Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Волновое уравнение. Существование электромагнитных волн.

Условия квазистационарности. Идеальные двухполюсники в цепи гармонического тока и их свойства. Импеданс. Расчет цепей синусоидального тока методами векторных диаграмм и комплексных амплитуд. Простейшие четырёхполюсники. Работа и мощность в цепи переменного тока.

4. Колебания и волны

Линейные колебательные системы с одной степенью свободы. Свободные колебания осциллятора. Характеристики затухания. Электромеханические аналогии. Вынужденные колебания, резонансные кривые. Процессы установления колебаний, условия неискаженного воспроизведения сигналов колебательным контуром.

Спектральное разложение в радиофизике, колебательный контур как спектральный прибор. Колебательные системы с несколькими степенями свободы, связанные колебания. Линейные осцилляторы с переменными параметрами, параметрический резонанс. Особенности нелинейного осциллятора. Автоколебательные системы.

Понятие волны. Волновое уравнение. Гармонические волны. Плоские и сферические волны. Распространение сигналов (волновых пакетов). Распространение тригармонической волны. Условие пренебрежения дисперсионным искажением сигнала.

Двухлучевая интерференция. Оптическая разность хода волн. Примеры интерференции волн (две плоские волны, две сферические волны). Интерференционная картина и ее параметры. Многолучевая интерференция. Интерференция в тонких пластинах. Интерферометры (двухлучевые и многолучевые).

Продольные волны в стержне, вывод волнового уравнения. Энергетические соотношения в упругой волне. Вывод волнового уравнения из уравнений Максвелла. Плоские волны. Бегущие и стоячие волны. Поляризация электромагнитных волн. Импеданс.

Энергетические соотношения для электромагнитных волн, теорема Пойнтинга. Отражение и преломление волн на границе двух сред. Закон Снеллиуса. Формулы Френеля. Явления Брюстера и полного (внутреннего) отражения.

Излучение электромагнитных волн. Поле излучения элементарного вибратора. Диаграмма направленности. Полуволновой вибратор, сложные излучатели. Излучение движущихся заряженных частиц. Классическая модель “светящегося” атома. Молекулярные механизмы отражения, преломления, дисперсии.

Оптическая анизотропия кристаллов. Нормальные волны в одноосном кристалле: дисперсионные свойства, поляризационная структура. Двойное лучепреломление. Построение Гюйгенса. Поляризационные приборы. Интерференция поляризованных лучей. Искусственная анизотропия. Оптическая активность.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция на структурах с осевой симметрией. Зоны Френеля, зонная пластинка. Дифракция Френеля на щели и прямоугольном отверстии. Спираль Корню.

Предельные случаи дифракции: геометрическая оптика и дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка как спектральный прибор, ее спектральные характеристики. Роль дифракционных явлений в оптических приборах. Понятие о временной и пространственной когерентности, их связь с характеристиками источников света. Влияние когерентных свойств света на наблюдение интерференции и дифракции. Источники когерентного света. Лазеры.

Раздел 5. Физика атомов и атомных явлений

5.1. Развитие квантовых представлений

Корпускулярные свойства света. Явление фотоэффекта. Эффект Комптона. Законы равновесного излучения (Стефана-Больцмана, Вина, Рэлея-Джинса, Планка). Модель атома Бора. Опыты Франка и Герца. Волновые свойства частиц. Статистический смысл волновой функции. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Роль измерительного прибора. Операторы координаты, импульса, момента импульса и энергии в квантовой механике.

5.2. Введение в аппарат физики микрообъектов

Стационарное и нестационарное уравнение Шредингера. Свойства волновых функций. Волновая функция и уровни энергии частицы в бесконечно глубокой потенциальной яме. Решение стационарного уравнения Шредингера для потенциального барьера. Туннельный эффект. Коэффициент прохождения частицы через потенциальный барьер. Холодная эмиссия электронов из металла.

5.3. Энергетические состояния и спектры излучения водородоподобных атомов

Уравнение Шредингера для частицы в центральном поле. Решение уравнения Шредингера для водородоподобного атома. Уровни энергии, главное квантовое число. Вероятность пространственного распределения электрона в атоме. Азимутальное и магнитное квантовые числа. Спектры водородоподобных атомов.

5.4. Орбитальный и спиновый моменты электрона

Гиромагнитное отношение. Опыт Штерна-Герлаха. Бозоны и фермионы. Спин-орбитальное взаимодействие. Тонкая структура уровней энергии и спектральных линий. Уширение спектральных линий.

5.5. Многоэлектронные атомы

Типы связей электронов в атоме. Принцип Паули. Периодическая система элементов Менделеева. Правила отбора при излучении многоэлектронных атомов. Оптические спектры щелочных металлов. Эффект Зеемана.

5.6. Квантовая статистика

Распределение Бозе-Эйнштейна. Формула Планка и классическая формула Рэлея-Джинса. Переход к классической статистике Максвелла-Больцмана. Конденсация Бозе-газа. Распределение Ферми-Дирака. Уровень Ферми.

5.7. Квантовые свойства твердого тела

Типы связей атомов в твердых телах. Расщепление энергетических уровней во взаимодействующих системах атомов. Модель атомной цепочки с потенциальным рельефом прямоугольной формы (модель Кронига-Пенни). Дисперсионные кривые для свободного электрона и электрона в кристалле. Понятие эффективной массы. Электропроводность твердых тел. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Контакт двух вырожденных полупроводников.

5.3. Темы практических занятий

Раздел 1. Механика

Кинематика прямолинейного движения.

Тело брошено вертикально вверх из точки, находящейся на высоте h над землей. Пренебрегая сопротивлением воздуха, найти зависимости ускорения, скорости, координаты и пути от времени.



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст