Geum.ru

Рабочая программа дисциплины "Физика" Направление подготовки

Вид материалаРабочая программа

Содержание


Квантовая оптика.
2-й семестр
3-й семестр
4-й семестр
Савельев И.В.
3. Савельев И.В.
Иродов, И.Е.
Подобный материал:
  1   2

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра физика


УТВЕРЖДАЮ

Декан ЕН факультета

___________ В.А. Алферов

«____»__________2010 г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

дисциплины

"Физика"


Направление подготовки:

220200 Автоматизация и управление


Специальность:

220201- Управление и информатика в технических системах


Форма обучения (очная)


Тула 2010


Рабочая программа составлена доцентом кафедры Семиным В.А., обсуждена на заседании кафедры физики естественнонаучного факультета,

протокол № 7 от "30 " апреля 2010 г.


Зав. кафедрой физики Д.М.Левин

Рабочая программа пересмотрена и утверждена на заседании кафедры физики естественнонаучного факультета.

протокол № ____от «____»___________200 г.

Зав. кафедрой физики Д.М.Левин

I. Цели и задачи изучения дисциплины

В основании современной естественнонаучной картины мира лежат физические принципы и концепции. Физика составляет фундамент естествознания. В то же время физика является теоретической базой, без которой невозможна успешная деятельность выпускника вуза в области знаний "Технические науки".

Целью изучения дисциплины является:

- изучение основных физических явлений и идей, овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями классической и современной физики, а также методами физического исследования;

- формирование научного мировоззрения и современного физического мышления;

- овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики;

- ознакомление с современной научной аппаратурой, формирование навыков проведения физического эксперимента, умения выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах будущей деятельности.


II. Содержание дисциплины
  1. Введение.
    1.1. Физика как наука. Наиболее общие понятия и теории. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Физические модели. Компьютеры в современной физике. Роль физики в образовании. Общая структура и задачи курса физики. Роль измерения в физике. Единицы измерения и системы единиц. Основные единицы СИ.

1.2 Математическое введение.
  1. Физические основы механики.
    Предмет механики. Классическая и квантовая механика. Нерелятивистская и релятивистская классическая механика.
    1. Кинематика и динамика.
      Основные физические модели: частица (материальная точка), система частиц, абсолютно твердое тело, сплошная среда.
    2. Основные понятия кинематики.
      1. Система отчета. Скалярные и векторные физические величины.
      2. Понятие состояния в классической механике.
      3. Система точек и центр масс. Поступательное движение.
      4. Перемещение, скорость, ускорение. О смысле производной и интеграла в приложении к физическим задачам.
      5. Криволинейное поступательное движение. Нормальное и тангенциальное ускорение.
      6. Вращательное движение. Угловые кинематические переменные и их связь с линейными переменными.
      7. Вращательное движение абсолютно твердого тела.
      8. Преобразование скоростей и ускорений при переходе в ускоренно движущиеся системы отсчета.
    3. Динамика поступательного движения.
      1. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Сила, разновидности сил. Масса. Импульс материальной точки. Законы динамики (Ньютона) в инерциальных системах. Уравнения движения.
      2. Преобразования Галилея и принцип относительности Галилея. Инварианты преобразования.
      3. Законы динамики в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции.
      4. Система материальных точек (в т.ч. абсолютно твердое тело). Центр масс. Кинематика и динамика твердого тела.
      5. Границы применимости классического способа описания движения частиц.
    4. Законы сохранения.
      1. Импульс системы частиц. Законы сохранения и изменения импульса. Закон движения центра масс.
      2. Реактивное движение. Сила тяги. Уравнение Мещерского.
      3. Момент импульса частицы и системы частиц. Момент силы.
      4. Законы изменения и сохранения момента импульса частицы и системы частиц.
      5. Основное уравнение динамики вращательного движения системы.
      6. Момент инерции материальной точки и твердого тела. Тензор момента инерции. Главные оси инерции. Теорема Штейнера.
      7. Момент импульса системы при вращении вокруг фиксированной оси и уравнение динамики вращательного движения вокруг фиксированной оси. Плоское движение.
      8. Движение в центральном поле. Законы Кеплера.
      9. Гироскопы и гироскопические эффекты.
    5. Энергия и работа.
      1. Работа силы и момента силы. Мощность.
      2. Консервативные и неконсервативные силы. Центральные силы. Диссипативные силы.
      3. Кинетическая энергия поступательного, вращательного и плоского движения.
      4. Потенциальная энергия частицы и системы частиц. Энергия взаимодействия с внешними телами. Внутренняя энергия.
      5. Полная механическая энергия системы и законы ее сохранения и изменения.
      6. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.
    6. Потенциальные поля.
      1. Консервативная сила как градиент потенциальной энергии. Эквипотенциальные поверхности.
      2. Поле центральных сил. Напряженность и потенциал. Гравитационное поле.
      3. Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса и ее применение к расчету гравитационных полей шара и сферы.
      4. Движение в поле центральных сил. Космические скорости.
      5. Потенциальные кривые.
    7. Физика колебаний и волн.
      1. Кинематика гармонических колебаний. Амплитуда, круговая частота и фаза гармонических колебаний. Сложение взаимно перпендикулярных и однонаправленных колебаний. Биения. Фигуры Лиссажу. Векторные диаграммы.
      2. Гармонический и ангармонический осциллятор. Движение системы вблизи устойчивого положения равновесия. Модели гармонических осцилляторов.
      3. Свободные и вынужденные колебания
      4. Свободные затухающие колебания. Коэффициент затухания. Логарифмический декремент.
      5. Энергия гармонического осциллятора. Добротность.
      6. Вынужденные колебания и резонанс. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Время установления вынужденных колебаний и его связь с добротностью.
      7. Понятие о связанных гармонических осцилляторах. Нормальные моды.
      8. Волновое движение. Поперечные и продольные волны и условия их возникновения.
      9. Плоская стационарная волна. Плоская синусоидальная волна. Бегущие и стоячие волны. Длина волны, волновой вектор и фазовая скорость. Сферические волны. Поперечные и продольные волны.
      10. Одномерное волновое уравнение.
      11. Стоячие волны. Уравнение стоячих волн.
      12. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах.
      13. Энергетические характеристики упругих волн. Вектор Умова.
      14. Поведение звука на границе раздела двух сред. Понятие об ударных волнах. Эффект Доплера.
    8. Основы релятивистской механики.
      1. Опыт Майкельсона. Независимость скорости света от движения источника.
      2. Принцип относительности в релятивистской механике. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия.
      3. Релятивистский импульс и релятивистское уравнение движения.
      4. Пространство – время Минковского. 4 вектора. Релятивистские инварианты.
      5. Полная энергия частицы. Четырехмерный вектор энергии-импульса частицы. Закон сохранения четырехмерного вектора энергии-импульса.
    9. Кинематика и динамика жидкостей и газов.
      1. Общие свойства газов и жидкостей. Кинематическое описание движения жидкости. Векторные поля. Поток и циркуляция векторного поля.
      2. Уравнения движения и равновесия жидкости. Идеальная жидкость. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли.
      3. Вязкая жидкость. Силы внутреннего трения. Стационарное течение вязкой жидкости. Уравнение Навье-Стокса. Законы гидродинамического подобия. Гидродинамическая неустойчивость. Понятие о турбулентном и ламинарном течении. Критерий Рейнольдса.
  2. Молекулярная физика и термодинамика.
    1. Динамические и статистические закономерности в физике. Статистический и термодинамический методы.
    2. Элементы молекулярно-кинетической теории.
      1. Макроскопическое состояние. Физические величины и параметры состояния физических систем. Макроскопические параметры как средние значения. Тепловое равновесия. Основное начало термодинамики.
      2. Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Понятие о температуре.
    3. Функции распределения.
      1. Микроскопические параметры. Вероятность и флуктуации.
      2. Определения и свойства функций распределения.
      3. Распределение Максвелла по скоростям. Экспериментальная проверка распределения Максвелла.
      4. Теорема о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Средняя кинетическая энергия частицы энергия и теплоемкость. Внутренняя энергия и теплоемкость идеального газа. Теплоемкость многоатомных газов. Ограниченность классической теории теплоемкости.
      5. Применение распределения Максвелла для расчета средних значений скоростей, частоты столкновений молекул со стенкой, давления идеального газа.
      6. Газ в поле внешних сил. Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Распределение Максвелла-Больцмана по энергиям.
      7. Локальное и неполное равновесие. Кинетические и релаксационные явления. Времена релаксации различных процессов приближения к тепловому равновесию.
    4. Элементы термодинамики. Три начала термодинамики.
      1. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Интенсивные и экстенсивные параметры. Обратимые и необратимые процессы.
      2. Изопроцессы. Адиабатный и политропный процессы. Теплоемкость термодинамической системы при различных изопроцессах.
      3. Термодинамическое определение энтропии. Изменение энтропии в изопроцессах идеального газа.
      4. Термодинамические функции состояния. Условия равновесия. Химический потенциал. Условия химического равновесия.
      5. Второе начало термодинамики.
      6. Частные формулировки второго начала термодинамики. Невозможность существования вечных двигателей 1 го и 2 го рода.
      7. Циклические процессы и тепловые машины. Цикл Карно. Максимальный к.п.д. тепловой машины.
      8. Микро  и макросостояния системы. Термодинамическая вероятность. Статистическое определение энтропии (формула Больцмана).
      9. Энтропия при необратимых процессах. Общая формулировка второго начала термодинамики.
      10. Третье начало термодинамики. Теорема Нернста. Понятие о флуктуациях в термодинамической системе.
      11. Фазы и условия равновесия фаз. Термодинамика поверхности раздела двух фаз. Поверхностные энергия и натяжение. Капиллярные явления.
      12. Фазовые равновесия и фазовые превращения. Фазовые диаграммы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Критическая точка. Реальный газ. Изотермы Ван-дер-Ваальса.
    5. Кинетические явления.
      1. Сечение столкновений и средний свободный пробег.
      2. Явления переноса. Процессы переноса в идеальном газе. Диффузия. Теплопроводность. Коэффициент диффузии. Коэффициент теплопроводности. Температуропроводность.
      3. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах. Вязкость. Коэффициенты вязкости газов и жидкостей.
      4. Броуновское движение. Связь диффузии с броуновским движением.
    6. Элементы неравновесной термодинамики. Порядок и беспорядок в природе.
      1. Макросистемы вдали от равновесия. Открытые диссипативные системы. Появление самоорганизации в открытых системах и превращение флуктуаций в макроскопические эффекты. Роль нелинейности. Понятие о бифуркациях. Идеи синергетики. Динамический хаос. Самоорганизация в живой и неживой природе.
    7. Классическая и квантовая статистики.
      1. Статистический смысл термодинамических потенциалов и температуры. Энтропия и вероятность.
      2. Статистическое описание квантовой системы. Различие между квантово-механической и статистической вероятностями. Квантовые идеальные газы. Функции распределения Бозе и Ферми.
  3. Электричество и магнетизм.
    Предмет классической электродинамики. Электрический заряд и его дискретность. Границы применимости классической электродинамики.
    1. Электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе.
      1. Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Силовые линии. Принцип суперпозиции.
      2. Основные уравнения электростатики в вакууме.
      3. Поток электростатического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме и ее применение к расчету электростатических полей.
      4. Теорема Гаусса для электростатического поля в дифференциальной форме. Дивергенция вектора напряженности электростатического поля.
      5. Работа сил электростатического поля. Потенциал электростатического поля и его связь с напряженностью. Энергия заряда в электростатическом поле.
      6. Электрический диполь. Момент сил, действующий на диполь, и энергия диполя во внешнем электрическом поле.
      7. Теорема о циркуляции напряженности электростатического поля и ее применение.
      8. Идеальный проводник в электростатическом поле. Поверхностные заряды. Явление электрической индукции. Граничные условия на поверхности раздела "идеальный проводник - вакуум".
      9. Электростатическое поле в полости идеального проводника. Экранировка поля. Электростатическая защита.
      10. Коэффициенты емкости и взаимной емкости проводников. Конденсаторы. Емкость конденсаторов.
      11. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия заряженного конденсатора.
      12. Диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков. Электрическое смешение. Вектор поляризованности. Объемные и связанные заряды. Диэлектрическая проницаемость.
      13. Электрическое поле в диэлектриках. Вектор электрической индукции.
      14. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Теорема Гаусса (в интегральной и дифференциальной форме) и теорема о циркуляции для векторов поляризованности и электрической индукции.
      15. Электрическое поле на границе двух сред. Граничные условия для векторов напряженности и индукции на поверхности раздела "диэлектрик-диэлектрик" и "проводник-диэлектрик".
      16. Плотность энергии электростатического поля.
    2. Электрический ток. Уравнение непрерывности.
      1. Условия существования тока. Проводники и изоляторы.
      2. Плотность тока и сила тока. Уравнение непрерывности электрического заряда (в интегральной и дифференциальной форме). Условие стационарности тока.
      3. Природа носителей тока в металлах. Опыты Стюарта-Толмена. Проводимость металла.
      4. Законы Ома и Джоуля-Ленца в локальной форме. Сопротивление.
      5. Электрическое поле в проводнике с током. Закон Ома в дифференциальной форме.
      6. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Источники ЭДС.
      7. Закон Ома для замкнутой цепи и участка цепи, содержащего источник Э.Д.С.
      8. Закон сохранения энергии для замкнутой цепи. Закон Джоуля-Ленца.
    3. Магнитостатика в вакууме и веществе.
      1. Магнитное поле в вакууме. Природа магнитного поля. Вектор индукции магнитного поля. Магнитное поле движущегося заряда.
      2. Основные уравнения магнитостатики в вакууме. Теорема Гаусса для вектора индукции магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции. Теорема Стокса в интегральной и дифференциальной форме. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции и ее применение к расчету магнитных полей. Ротор вектора магнитной индукции. Вектор-потенциал магнитного поля.
      3. Магнитное поле тока. Закон Био-Савара. Расчет магнитных полей прямого и кругового проводника с током. Принцип суперпозиции магнитных полей.
      4. Силы Лоренца и Ампера. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Эффект Холла.
      5. Виток с током в магнитном поле. Магнитный момент витка. Момент сил, действующий на виток. Потенциальная энергия витка с током во внешнем магнитном поле.
      6. Виток с током в неоднородном магнитном поле. Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.
      7. Магнитное поле длинного соленоида. 
      8. Магнитное поле в веществе. Намагничивание вещества. Молекулярные токи. Вектор намагниченности и его свойства.
      9. Поверхностные и объемные токи намагничения в однородных и неоднородных средах.
      10. Напряженность магнитного поля. Теоремы Гаусса и Стокса (в интегральной и дифференциальной форме) для векторов намагниченности и напряженности магнитного поля.
      11. Виды магнетиков. Природа диа-, пара и ферромагнетизма. Магнитное поле постоянных магнитов.
      12. Магнитное поле на границе двух сред. Граничные условия для векторов напряженности и индукции магнитного поля на поверхности раздела двух магнетиков.
      13. Магнитная энергия контура с током и системы контуров. Плотность энергии постоянного магнитного поля в вакууме и веществе.
    4. Электромагнитная индукция.
      1. Природа ЭДС индукции в проводниках, движущихся в магнитном поле.
      2. Вихревое электрическое поле. Теорема о циркуляции для вихревого электрического поля в интегральной и дифференциальной форме.
      3. Закон Фарадея и правило Ленца.
      4. Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Индуктивность катушки (соленоида).
      5. Явления самоиндукции при замыкании и размыкании электрической цепи.
      6. Взаимная индукция. Взаимная индуктивность. Трансформаторы.
    5. Электромагнитное поле.
      1. Квазистационарное электромагнитное поле. Токи Фуко. Квазистационарные явления в линейных проводниках.
      2. Переходные процессы в электрических цепях.
      3. Ток смещения в вакууме и в диэлектрических средах.
      4. Взаимосвязь переменных электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле.
      5. Уравнения Максвелла. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной форме.
      6. Плотность энергии электромагнитного поля. Плотность потока энергии электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга. Теорема Пойтинга. сохранения энергии для электромагнитного поля.
    6. Принцип относительности в электродинамике.
      1. Инвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Лоренца.
      2. Релятивистские преобразования электромагнитного поля. Инварианты преобразований.
      3. Относительность разделения электромагнитного поля на электрическое и магнитное поля.
    7. Электрические колебания в цепях.
      1. Электрический колебательный контур. Собственные электрические колебания в контурах (незатухающие и затухающие), их характеристики.
      2. Вынужденные электрические колебания. Решение уравнения вынужденных гармонических колебаний методом векторной диаграммы.
      3. Резонанс напряжения на конденсаторе и тока в контуре. Добротность контура. Резонаторы.
      4. Генератор переменного тока. Цепь переменного тока. Полное сопротивление (импеданс) контура. Эффективные ток и напряжение.
  4. Электромагнитные волны в вакууме и веществе.
    1. Электромагнитные волны в вакууме.
      1. Вывод волнового уравнения из уравнений Максвелла. Поляризация и скорость распространения электромагнитных волн.
      2. Энергия и импульс электромагнитной волны.
      3. Излучение электромагнитных волн ускоренно движущимся зарядом. Волновая зона. Закон Рэлея.
      4. Принцип передачи модулированного электромагнитного сигнала.
      5. Шкала электромагнитных волн.
  5. Оптика.
    1. Отражение и преломление света. Оптическое изображение.
    2. Волновая оптика. Интерференция и дифракция волн.
      1. Интерференция волн.
      2. Отражение электромагнитной волны от поверхности проводника и прохождение волны в слабопроводящей среде. Закон Бугера.
      3. Стоячие волны как частный случай интерференции.
      4. Принцип суперпозиции для волн. Условие когерентности волн. Интерференция плоских и сферических монохроматических волн. Оптическая разность хода. Условия максимума и минимума при интерференции.
      5. Интерференционная схема Юнга. Понятие об условиях пространственной и временной когерентности.
      6. Интерференция в тонких пленках и ее применение.
      7. Многолучевая интерференция. Метод фазовых диаграмм. Критерий Рэлея. Дифракционная решетка. Использование метода векторной диаграммы для описания многолучевой интерференции. Критерий Рэлея.
    3. Дифракция волн.
      1. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля.
      2. Дифракция Френеля.
      3. Дифракция Фраунгофера.
      4. Дифракция на круглом отверстии, узкой щели и на множестве параллельных щелей.
      5. Разрешающая способность оптических приборов.
      6. Дифракция на двумерных и трехмерных структурах.
      7. Дифракция рентгеновских лучей. Методы Лауэ, Дебая и Вульфа-Брэггов.