Тематические планы

ТЕМАТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

ВВЕДЕНИЕ

Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Важнейшие этапы истории физики. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Общая структура и задачи курса физики. Размерность физических величин. Основные едини­цы физических величин в СИ.

I. Физические основы механики.

Предмет механики. Кинематика и динамика. Классическая механика. Квантовая механика. Релятивистская механика.

1.1. Элементы кинематики.

Физические модели: материальная точка (частица), система материальных точек, абсолютно твёрдое тело, сплошная среда. Пространство и время. Кинематическое описание движения. Прямолинейное движение точки. Движение точки по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Степени свободы и обобщённые координаты. Число степеней свободы абсолютно твёрдого тела. Вектор угловой скорости. Кинематическое описание движения жидкости.

1.2. Динамика частиц.

Основная задача динамики. Понятие состояния в классической механике. Уравнения движения. Масса и импульс. Границы применимости классического способа описания движения частицы. Первый закон Ньютона. Второй закон Ньютона как уравнение движения. Сила как производная импульса. Третий закон Ньютона. Неинерциальные системы отсчёта. Силы инерции.

1.3. Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса как фундаментальный закон природы. Реактивное движение. Центр инерции.

1.4. Закон сохранения момента импульса.

Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Момент силы. Уравнение моментов. Движение в центральном поле.

1.5. Закон сохранения энергии.

Работа и кинетическая энергия. Мощность. Энергия движения тела как целого. Внутренняя энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике. Общефизический закон сохранения энергии. Законы сохранения и симметрия пространст­ва и времени.

1.6. Принцип относительности в механике

Инерциальные системы отсчета и принцип относительности. Преобразование Галилея. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца: сокращение движущихся масштабов длины, замедление движущихся часов, закон сложения скоростей.

1.7. Элементы релятивистской динамики.

Релятивистский импульс. Уравнение движения релятивистской частицы. Работа и энергия. Инвариантность уравнения движения относительно преоб­разования Лоренца. Законы сохранения энергии и импульса.

1.8. Твердое тело в механике.

Уравнения движения и равновесия твердого тела. Энергия движущегося тела. Момент инерции тела относительно оси. Вращательный момент.

1.9. Элементы механики сплошных сред.

Общие свойства жидкостей и газов. Уравнения равновесия и движения жидкости. Идеальная и вязкая жидкость. Гидростатика несжимаемой жидкос­ти. Стационарное движение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли. Гид­родинамика вязкой жидкости. Коэффициент вязкости. Течение по трубе. Формула Паузейля. Закон подобия. Формула Стокса. Турбулентность.

II. Статистическая физика и термодинамика

Динамические и статистические закономерности в физике. Статистичес­кий и термодинамический методы.

2.1. Макроскопические состояния.

Тепловое движение. Макроскопические параметры. Уравнение состояния. Внутренняя энергия. Интенсивные и экстенсивные параметры. Уравнение состояния идеального газа. Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Молекулярно-кинетический смысл температуры.

2.2. Статистические распределения.

Вероятность и флюктуации. Распределение Максвелла. Распределение частиц по абсолютным значениям скорости. Средняя кинетическая энергия частиц, Скорости теплового движения частиц. Распределение Больцмана. Теплоемкость многоатомных газов. Недостаточность классической теории теплоемкостей. Определение энтропии неравновесной системы через статис­тический вес состояния. Принцип возрастания энтропии.

2.3. Основы термодинамики.

Обратимые и необратимые тепловые процессы. Первое начало термодина­мики. Энтропия. Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Максимальный КПД тепловой машины.

2.4. Явления переноса.

Понятие о физической кинетике. Время релаксации. Эффективное сече­ние рассеяния. Диффузия и теплопроводность. Коэффициент диффузии. Коэф­ффициент теплопроводности. Температуропроводность. Время выравнивания. Диффузия в газах и твердых телах. Вязкость. Коэффициент вязкости газов и жидкостей. Динамическая и кинематическая вязкости.

2.5. Фазовые равновесия и фазовые превращения

Фазы и фазовые превращения. Условие равновесия фаз. Фазовые диаг­раммы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Критическая точка. Метастабильные состояния. Тройная точка. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Фазовые перехо­ды второго рода.

Ш. Электричество и магнетизм

Предмет классической электродинамики. Идея близкодействия. Электри­ческий заряд и напряженность электрического поля. Дискретность заряда.

3.1. Электростатика

Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Электрический диполь. Поток вектора. Электростатическая теорема Гаусса. Работа электростатического поля. Циркуляция электростатического поля. Потенциал. Связь потенциала с напряженностью электростатического поля. Проводник в электростатичес­ком поле. Поверхностная плотность заряда. Граничные условия на границе "проводник-вакуум". Электростатическое поле в полости. Электростатичес­кая емкость. Емкость конденсаторов. Электростатическая индукция. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.

3.2. Постоянный электрический ток

Условия существования тока. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифферен­циальной форме. Сторонние силы. ЭДС гальванического элемента. Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Правила Кирхгофа. Электрический ток в сплошной среде.

3.3. Элементы физической электроники

Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации. Электропроводность слабо­ионизированных газов. Понятие о плазме. Плазменная частота. Дебаевская длина. Электропроводность плазмы.

3.4. Магнитное поле

Сила Лоренца и сила Ампера. Вектор магнитной индукции. Основные уравнения магнитостатики в вакууме. Магнитное поле простейших систем. Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. Виток с током в магнитном поле. Энергия витка с током во внешнем магнитном поле. Рамка с током в однородном магнитном поле. Момент сил, действую­щий на рамку. Индуктивность длинного соленоида. Взаимная индукция. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции. Магнитное поле кругового тока. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Магнитная энергия тока. Плотность магнитной энергии.

3.5. Статические поля в веществе

Плоский конденсатор с диэлектриком. Энергия диполя во внешнем электростатическом поле. Поляризационные заряды. Поляризованность. Неоднородная поляризованность. Электрическое смещение. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Граничные условия на границе раздела "диэлектрик-диэлектрик" и "проводник-диэлектрик". Плотность энергии электростатического поля в диэлектрике. Длинный соленоид с магнетиком. Молекулярные токи. Намагниченность. Неоднородная намагниченность. Напряженность магнитного поля. Основные уравнения магнитостатики в веществе. Граничные условия.

3.6. Уравнения Максвелла

Фарадеевская и максвелловская трактовка явления электромагнитной индукции. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Скорость распространения электромагнитных возмущений. Волновое уравнение. Плотность энергии. Плотность потока энер­гии.

3.7. Принцип относительности в электродинамике

Инвариантность уравнений Максвелла относительно преобразования Ло­ренца. Релятивистские преобразования полей, зарядов и токов. Относитель­ность магнитных и электрических полей.

3.8. Квазистационарное электромагнитное поле

Условие малости токов смещения. Токи Фуко. Квазистационарные явле­ния в линейных проводниках. Установление и исчезновение тока в цепи. Генератор переменного тока. Импеданс. Цепи переменного тока. Движение в магнитном поле

1V. Физика колебаний и волн

Понятие о колебательных процессах. Единый подход к колебаниям различной физической природы.

4.1. Кинематика гармонических колебаний

Амплитуда, циклическая частота, фаза гармонических колебаний. Сло­жение скалярных и векторных колебаний. Комплексная форма представления колебаний. Векторные диаграммы.

4.2. Гармонический осциллятор

Маятник, груз на пружине, колебательный контур. Свободные затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент, добротность. Энергетические соотношения для осциллятора. Понятие о связанных осцилляторах. Действие периодических толчков на гармонический осциллятор. Резонанс. Осциллятор как спектральный прибор. Физический смысл спектрального разложения. Модулированные колебания. Вынужденные колебания осциллятора под действием синусоидальной силы.

Амплитуда и фаза при вынужденных колебаниях. Резонансные кривые. Процесс установления колебаний. Время установления и его связь с добротностью. Вынужденные колебания в электрических цепях. Параметрические колебания осциллятора.

4.3. Волновые процессы

Волны. Плоская стационарная волна. Плоская синусоидальная волна. Бегущие и стоячие волны. Фазовая скорость, длина волны, волновое число. Эффект Допплера. Скалярные и векторные волны. Поляризация. Интерференция синусоидальных волн. Распространение волн в средах с дисперсией. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью. Нормальная и аномальная дисперсии. Одномерное волновое уравнение. Продольные волны в твердом теле. Вектор Умова. Упругие волны в газах и жидкостях. Плоские элект­ромагнитные волны. Поляризация волн. Вектор Пойнтинга. Излучение диполя. Сферические и цилиндрические волны.

4.4. Интерференция

Интерференция монохроматических волн. Квазимонохроматические волны. Интерференция квазимонохроматических волн. Интерферометры. Временное и спектральное рассмотрение интерференционных явлений.

4.5. Дифракция волн

Принцип Гюйгенса-Френеля. Приближение Френеля. Дифракция Френеля. Приближение Фраунгофера. Простые задачи дифракции: дифракция на одной и на многих целях. Дифракционная решетка. Дифракция на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера и спектральное разложение. Принцип голографии.

4.6. Электромагнитные волны в веществе

Распространение света в веществе. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Поглощение света. Прозрачные среды. Поляризация волн при отражении. Элементы кристаллооптики. Электрооптические и магнитоопти­ческие явления.

V. Квантовая физика

Противоречия классической физики. Проблемы излучения черного тела. Фотоэлектрический эффект, стабильность и размеры атома. Открытие пос­тоянной Планка.

5.1. Экспериментальное обоснование основных идей квантовой теории

Обоснование идей квантования (дискретности): опыты Франка и Герца, опыты Штерна и Герлаха. Правило частот Бора. Линейчатые спектры атомов. Принцип соответствия.

5.2. Фотоны

Энергия и импульс световых квантов. Фотоэффект. Эффект Комптона. Образование и аннигиляция электронно-позитронных пар. Элементарная квантовая теория излучения. Вынужденное и спонтанное излучения фотонов. Коэффициенты Эйнштейна. Тепловое равновесное излучение.

5.3. Корпускулярно-волновой дуализм

Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Дифракция нейтронов. Микрочастица в двухщелевом интерферометре. Соотношения неопределенностей. Оценка основного состояния атома водорода и энергии нулевых колебаний осциллятора. Объяснение туннельного эффекта и устойчивости атома. Вол­новые свойства микрочастиц и соотношения неопределенностей для одновременно измеримых величин.

5.4. Квантовое состояние

Задание состояния микрочастиц; волновая функция; ее статистический смысл. Суперпозиция состояний в квантовой теории. Амплитуда вероятностей.

5.5. Уравнение Шредингера

Временное уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера. Стационарное состояние. Частица в одномерной прямоугольной яме. Про­хождение частицы над и под барьером. Гармонический осциллятор.

5.6. Атом

Частица в сферически симметричном поле. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Спектры водородоподобных атомов. Пространственное распределение электрона в атоме водорода. Ширина уровней. Структура электронных уровней в сложных атомах. Типы связи электронов в атомах. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.

5.7. Молекула

Молекула водорода. Обменное взаимодействие. Физическая природа химической связи. Ионная и ковалентная связи. Электронные термы двухатом­ной молекулы. Колебания и вращения двухатомной молекулы. Колебательная и вращательная структура термов. Колебания многоатомных молекул. Молекулярные спектры.

5.8. Атомное ядро

Строение атомных ядер. Феноменологические модели ядра. Ядерные ре­акции. Механизмы ядерных реакций. Радиоактивные превращения атомных ядер. Реакция ядерного деления. Цепная реакция деления. Ядерный реактор. Проблема источников энергии. Термоядерные реакции. Энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез.

5.9. Элементы квантовой электроники

Коэффициенты Эйнштейна для индуцированных переходов в двухуровневой системе. Принцип работы квантового генератора. Твердотельные и газоразрядные лазеры. Радиоспектроскопия. Первый лазер. Первый мазер.

5.10. Элементы квантовой статистики

Статистическое описание квантовой системы. Различие между квантово-механической и статистической вероятностями. Теорема Нернста и ее следствия. Симметрия волновой функции многих одинаковых частиц. Кван­товые идеальные газы. Распределения Бозе и Ферми.

5.11. Конденсированное состояние

Строение кристаллов. Исследование кристаллических структур мето­дами рентгено-, электроно-, нейтронографии. Точечные дефекты в кристал­лах: вакансии, примеси внедрения, примеси замещения. Краевые и винтовые дислокации. Дислокация и пластичность.

Понятие о фононах. Теплоемкость кристаллов при низких и высоких
температурах. Решеточная теплопроводность. Эффект Мессбауэра и его применение.

Электропроводность металлов. Носители тока в металлах. Недостаточность классической электронной теории. Электронный ферми- газ в металле. Электронная теплоемкость. Элементы зонной теории кристаллов. Зонная структура энергетического спектра электронов. Уровень Ферми. Поверхность Ферми. Число электронных состояний в зоне. Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники. Понятие дырочной проводимости. Собствен­ные и примесные полупроводники.

Явление сверхпроводимости. Сверхпроводники первого и второго рода. Высокотемпературная сверхпроводимость. Эффект Джозефсона и его приме­нение.

Магнетики. Пара-, диа-, ферро- и антиферромагнетики. Доменная структура. Техническая кривая намагничивания. Ферриты.

VI. Современная физическая картина мира

Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомное ядро. Кварки. Элементарные частицы: лептоны, адроны. Взаимопревращения частиц. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодейст­вия. Иерархия взаимодействий. О единых теориях материи. Физическая кар­тина мира как философская категория.

Дата добавления: 2014-11-16