Учебно-методический комплекс по дисциплине Электричество и магнетизм для специальности 010701 "Физика"
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Молекулярная физика для специальности 010701, 480.43kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Оптика для специальности 010701 "Физика", 561.69kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплина «физика» Кафедра общей и экспериментальной, 611.05kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Квантовая теория Для специальности 010701, 319.56kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика атомного ядра и частиц Для направления/специальности, 743.68kb.
- Учебно- методический комплекс по дисциплине опд. Ф 02. Методы математической физики, 340.98kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине опд. Р. 01 Программные средства измерительных, 504.75kb.
- Учебно-методический комплекс специализации «Физическое материаловедение» Обсужден, 1976.76kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика атома и атомных явлений», 803.75kb.
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра общей физики
Учебно-методический комплекс по дисциплине
Электричество и магнетизм
для специальности 010701 "Физика"
Кемерово 2008
| СОГЛАСОВАНО: | СОГЛАСОВАНО: |
| Декан физического факультета Ю.Н. Журавлев______________________ «____»__________________ 200__г. | Первый проректор КемГУ Б.П.Невзоров___ _________________ «____»__________________ 200__г. |
| УМК обсужден и одобрен Ученым советом физического факультета Протокол №___ от «___»_________200__г. Председатель Ученого совета факультета, Декан физического факультета Ю.Н.Журавлев _________________________ «_____»__________________ 200__г. | УМК обсужден и одобрен Научно-методическим советом КемГУ Протокол №___ от «___»_________200__г. Председатель НМС, первый проректор КемГУ Б.П.Невзоров ___________________ «____»__________________ 200__г. |
| ОБСУЖДЕНО: | РАССМОТРЕНО: |
| Зав.кафедрой общей физики Ю.И. Полыгалов «____»__________________ 200__г. | Председатель методической комиссии М.Л. Золотарев ___________________ «____»__________________ 200__г. |
| УМК обсужден и одобрен На заседании кафедры общей физики Протокол №___ от «___»_________200__г. Зав.кафедрой общей физики Ю.И. Полыгалов «_____»__________________ 200__г. | УМК обсужден и одобрен Методической комиссией физического факультета Протокол №___ от «___»_________200__г. |
СОДЕРЖАНИЕ
1. Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (специальность 010701 "Физика") к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы и к уровню подготовки выпускника по курсу "Электричество и магнетизм".
2. Примерная учебная программа курса, рекомендуемая УМО «Физика».
3. Рабочая программа курса.
4. Содержание практических занятий
5. Список литературы
6. Контрольные вопросы по курсу
7. Примеры контрольных задач по курсу
8. Список работ лабораторного практикума
9. Электронные варианты УМК, АСТ теста.
1. ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ (Специальность 010701 – ФИЗИКА) К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПОДГОТОВКИ ВЫПУСНИКА ПО КУРСУ "Электричество и магнетизм".
Электростатика. Проводники в электростатическом поле. Диэлектрики в электростатическом поле. Постоянный электрический ток. Механизмы электропроводности. Контактные явления. Магнетики. Объяснение диамагнетизма. Объяснение парамагнетизма по Ланжевену. Ферромагнетики и их основные свойства. Электромагнитная индукция. Энергия магнитного поля. Электромагнитные колебания. Переменный ток. Технические применения переменного тока. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Излучение электромагнитных волн.
ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ ВЫПУСНИКА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 010700 – ФИЗИКА
Специалист должен знать и уметь использовать в результате изучения данного курса: электромагнитное взаимодействие; на уровне курса общей физики: постоянное электрическое поле, электростатическое поле при наличии диэлектриков, энергию электростатического поля, постоянный электрический ток, электромагнитную индукцию, электромагнитные колебания, квазистационарные переменные токи, уравнения Максвелла, свойства электромагнитных волн.
2. Примерная учебная программа курса «Электричество и магнетизм», рекомендуемая УМО «Физика»
1. Организационно-методический раздел.
Программа предназначена для подготовки специалистов по всем физическим специальностям, а также бакалавров и магистров физики. Курс "Электричество и магнетизм", читаемый в 3 семестре после разделов "Механика" и "Молекулярная физика", представляет собой один из разделов курса «Общая физика».
Курс общей физики является основным в общей системе современной подготовки физиков - профессионалов. Он излагается на младших курсах и его главной задачей является создание фундаментальной базы знаний, на основе которой в дальнейшем можно развивать более углубленное и детализированное изучение всех разделов физики в рамках цикла курсов по теоретической физике и специализированных курсов. В связи с этим формируются главные требования, предъявляемые к курсу "Общая Физика". Первое из них заключается в мировоззренческой и методологической направленности курса. Необходимо сформировать у студентов единую, стройную, логически непротиворечивую физическую картину окружающего нас мира природы. Создание такой картины происходит поэтапно, путем обобщения экспериментальных данных и на их основе производится построение моделей наблюдаемых явлений, со строгим обоснованием приближений и рамок, в которых эти модели действуют. Во вторых, в рамках единого подхода классической (доквантовой) физики необходимо рассмотреть все основные явления и процессы происходящие в природе, установить связь между ними, вывести основные законы и получить их выражение в виде математических уравнений. При этом нельзя ограничиваться чисто понятийными понятиями, а необходимо научить студентов количественно решать конкретные задачи в рамках принятых приближений. По мере необходимости в курсе вводятся некоторые элементы релятивизма, статистически-вероятностных методов, квантовых представлений, которые потом конкретизируются и уточняются в курсах теоретической физики. В третьих, необходимо научить студентов основам постановки и проведения физического эксперимента с последующим анализом и оценкой полученных результатов.
Основной формой изложения материала курса являются лекции. Как правило, на лекции выносится 85% - 95% материала изложенного в программе курса. Остальные 5% - 15% материала выносятся для самостоятельного изучения студентами с непременным сообщением им литературных источников и методических разработок. Важнейшей составной частью лекций по общей физике является использование реальных и компьютерных физических экспериментов, учебных диафильмов, модельных компьютерных программ.
Наиболее важные разделы программы курса выносятся на семинарские занятия. Как правило, на семинарах рассматривают фрагменты теории, требующие сложных математических выкладок, различные методы решения задач и наиболее типичные задачи. Для закрепления материала, рассматриваемого на семинарах, студенты получают домашние задания в виде ряда задач из соответствующих задачников.
2. Содержание курса.
2.1. Введение. Электромагнитное взаимодействие и его место среди других взаимодействий в природе. Электрический заряд. Микроскопические носители заряда. Опыт Милликена. Закон сохранения электрического заряда.
2.2. Электростатика. Закон Кулона. Его полевая трактовка. Вектор напряженности электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Остроградского - Гаусса, её представление в дифференциальной форме. Теорема Ирншоу.
Работа сил электростатического поля. Потенциальность электростатического поля. Потенциал. Нормировка потенциала. Связь потенциала с вектором напряженности электростатического поля. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Теорема о циркуляции и её представление в дифференциальной форме. Уравнение Пуассона и математическая постановка задач электростатики. Роль граничных условий.
Электрический диполь. Поле диполя. Силы действующие на диполь в электрическом поле.
Энергия системы электрических зарядов. Энергия взаимодействия и собственная энергия. Энергия электростатического поля и её объемная плотность. Энергия электрического диполя во внешнем поле.
2.3. Проводники в электростатическом поле. Напряженность поля у поверхности и внутри проводника. Распределение заряда по поверхности проводника. Электростатическая защита. Измерение потенциала проводника. Эквипотенциальные поверхности. Метод зеркальных изображений.
Связь между зарядом и потенциалом проводника. Электроёмкость. Конденсаторы. Ёмкость плоского, сферического и цилиндричкского конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора. Силы действующие на проводники в электрическом поле.
2.4. Диэлектрики в электростатическом поле. Диэлектрики. Вектор поляризации. Свободные и связанные заряды. Связь вектора поляризации со связанными зарядами. Вектор электрической индукции. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость вещества. Материальное уравнение для векторов электрического поля. Понятие о тензоре диэлектрической проницаемости.
Теорема Остроградского - Гаусса в присутствии диэлектриков. Её дифференциальная форма. Граничные условия для векторов поляризации напряженности и индукции электрического поля. Преломление линий поляризации, напряженности и индукции на границе двух диэлектриков. Принципиальные методы измерения напряженности и индукции электрического поля в однородном диэлектрике.
Энергия диэлектрика во внешнем электрическом поле. Пондеромоторные силы в электрическом поле и методы их вычисления. Связь пондеромоторных сил с энергией электрических зарядов.
Электронная теория поляризации диэлектриков. Локальное поле. Неполярные диэлектрики. Формула Клаузиуса - Мосотти. Полярные диэлектрики. Функция Ланжевена. Поляризация ионных кристаллов.
Электрические свойства кристаллов. Пироэлектрики. Пьезоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэффект и его применение. Сегнетоэлектрики. Доменная структура сегнетоэлектриков. Гистерезис. Точка Кюри сегнетоэлектрика. Применение сегнетоэлектриков.
2.5. Постоянный электрический ток . Сила и плотность тока. Линии тока. Электрическое поле в проводнике с током и его источники. Уравнение непрерывности. Условие стационарности тока. Электрическое напряжение. Закон Ома для участка цепи. Электросопротивление. Удельная электропроводность вещества. Дифференциальная форма закона Ома.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля -Ленца и его дифференциальная форма. Сторонние силы. ЭДС. Закон Ома для замкнутой цепи. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Токи в сплошных средах. Заземление.
Закон сохранения энергии для цепей постоянного тока.
2.6. Постоянное магнитное поле. Электромагнетизм. Магнитостатика. Взаимодействие токов. Элемент тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его полевая трактовка. Вектор индукции магнитного поля. Действие магнитного поля на ток. Закон Ампера.
Теорема о циркуляции вектора индукции магнитного поля. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции. Вихревой характер магнитного поля. Векторный потенциал. Его связь с вектором индукции магнитного поля. Отсутствие в природе магнитных зарядов.
Элементарный ток и его магнитный момент. Поле элементарного тока. Элементарный ток в магнитном поле. Понятие о магнитном диполь-дипольном взаимодействии. Сила Лоренца. Эффект Холла. Магнитное поле двигающегося заряда.
Потенциальная функция тока. Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток). Коэффициент самоиндукции (индуктивность) контура. Коэффициент взаимной индукции.
2.7. Магнетики. Понятие о молекулярных токах. Вектор намагниченности и его связь с молекулярными токами. Вектор напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества. Материальное уравнение для векторов магнитного поля. Понятие о тензоре магнитной проницаемости.
Граничные условия для векторов напряженности и индукции магнитного поля. Магнитное поле в полостях в однородном магнетике. Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках.
Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Классическое описание диамагнетизма. Ларморова прецессия. Объяснение парамагнетизма по Ланжевену. Гиромагнитное отношение. Опыты Эйнштейна-де-Гааза. Опыт Барнетта.
Ферромагнетики. Доменная структура. Гистерезис намагничивания. Кривая Столетова. Остаточная индукция и коэрцитивная. Температурная зависимость намагниченности. Точка Кюри. Силы действующие на магнетики в магнитном поле. Магнитные материалы и их применение.
2.8. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции Фарадея и его формулировка в дифференциальной форме. Правило Ленца. Индукционные методы измерения магнитных полей. Токи Фуко.
Магнитная энергия контура с током. Магнитная энергия совокупности контуров с током. Энергия магнитного поля. Её объемная плотность. Энергия магнитного поля в веществе.
2.9. Электромагнитные колебания. Квазистационарные поля. Критерии квазистационарности. Переходные процессы в RC и LC цепях.
Колебательный контур. Собственные колебания в контуре. Уравнение гармонических колебаний. Энергия запасенная в контуре. Затухающие колебания в контуре и их уравнение. Показатель затухания. Время релаксации. Логарифмический декремент затухания. Добротность контура.
Вынужденные колебания в контуре. Резонанс. Ширина резонансной кривой и её связь с добротностью контура. Процесс установления вынужденных колебаний.
Колебания в связанных контурах. Парциальные колебания и их частоты. Нормальные колебания (моды) и их частоты.
2.10. Переменный синусоидальный ток. Квазистационарные токи. Методы комплексных амплитуд и векторных диаграмм. Активное, емкостное и индуктивное сопротивление. Закон Ома для цепей переменного тока.
Резонанс напряжений. Резонанс токов. Правила Кирхгофа для цепей переменного тока.
Работа и мощность переменного тока. Эффективные значения тока и напряжения.
Техническое использование переменных токов. Генераторы и электродвигатели. Трехфазный ток. Получение вращающегося магнитного поля. Соединение обмоток генератора "звездой" и "треугольником". Фазное и линейное напряжение. Трансформатор. Принцип действия, применение. Коэффициент трансформации. Роль сердечника.
Высокочастотные токи. Скин-эффект . Толщина скин-слоя.
2.11. Механизмы электропроводности. Проводники. Основные положения классической электронной теории проводимости Друде-Ленца. Опыты Толмена и Стюарта. Законы Ома и Джоуля-Ленца в классической теории. Закон Видемана-Франца. Трудности классической теории.
Понятие о зонной теории твердых тел. Энергетические уровни и формирование энергетических зон. Принцип Паули. Статистика Ферми-Дирака. Полупроводники. Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов.
Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники p и n типа. P - n переход. Применение полупроводников: полупроводниковые диоды, транзисторы, фотодиоды, фоторезисторы.
Контактные явления. Контактная разность потенциалов. Термоэлектричество. Термоэлектродвижущая сила. Термопары. Эффект Пельтье. Явление Томсона.
Сверхпроводимость. Основные свойства сверхпроводников. Эффект Мейснера, критическое магнитное поле. Применение сверхпроводников.
Электролиты. Закон Фарадея.
Токи в газах. Основные типы газового разряда. Плазменное состояние вещества. Электропроводность плазмы.
Электрический ток в вакууме. Электронная эмиссия.
2.12. Уравнения Максвелла. Электромагнитное поле. Уравнения Максвелла как обобщение экспериментальных данных. Ток смещения. Вихревое электрическое поле. Взаимные превращения электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Волновое уравнение. Электромагнитные волны. Скорость их распространения. Поперечность электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Закон сохранения энергии электромагнитного поля. Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн.
Конкретные задачи для самостоятельной работы, семинарских занятий, контрольные вопросы и задачи, темы возможных рефератов могут быть предложены вузами в соответствии со своей профессиональной спецификой и традициями, ориентируясь на предложенную программу.
3. Распределение часов курса по темам и видам работ.
| N п\п | Наименование раздела | ВСЕГО (часов) | Аудиторные занятия (час) | Самостоятельная работа | ||
| Лекции | Семинары | Практикум | ||||
| 1 | Электр. и магнет. | 343 | 72 | 36 | 80 | 155 |
4. Формы итогового контроля.
Формой итогового контроля по лекциям является устный экзамен. К экзамену допускаются студенты, получившие зачет по семинарским занятиям и по практикуму. Устный экзамен проходит по билетам, каждый из которых содержит два вопроса. Каждый вопрос содержит один пункт программы курса или его часть. Для получения зачета по семинарским занятиям студент обязан решить не менее двух письменных контрольных работ, выполнить все домашние задания и успешно выступить на семинаре. Для получения зачета по практикуму студент должен выполнить все задачи (лабораторные работы), предусмотренные учебным планом.
Зачет --- 3 семестр. Экзамен --- 3 семестр.
5. Учебно-методическое обеспечение курса
5.1. Рекомендуемая литература (основная).
1. С.Г Калашников. Электричество. М.; Наука. 1985.
2. А.Н.Матвеев. Электричество и магнетизм. М.; Высшая школа, 1983.
3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.3. Электричество. М.; Наука. 1983.
4. С.П.Стрелков, Д.В.Сивухин, С.Э.Хайкин, И.А.Эльцин, И.А.Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. (Под ред. И.А.Яковлева). М.; Наука. 1977.
5. В.И.Козлов. Общий Физический Практикум. Электричество и магнетизм. Под редакцией А.Н.Матвеева и Д.Ф.Киселева. Изд. Мос. Университета.1987.
5.2. Рекомендуемая литература (дополнительная).
1. И.Е.Тамм. Основы теории электричества. М.; Наука, 1989.
2. Э.Парселл. Электричество и магнетизм. М.; Наука. 1975.
3. Р.В.Поль. Учение об электричестве. М.; Физматгиз. 1962.
4. Р.Фейнман. и др. Феймановские лекции по физике. Вып.5 - 7. М.; Мир, 1977.
5. И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.2. М.; Наука, 1988.
6. И.Е.Иродов. Задачи по общей физике. М.; Наука, 1988.
7. Л.И.Антонов, Л.Г.Деденко, А.Н.Матвеев. Методика решения задач по электричеству. М.; МГУ, 1982.
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра общей физики
«Утверждаю»
Декан физического факультета
_______________________
(подпись)
«___» ___________ 200_ г.