Учебно-методический комплекс по дисциплине Молекулярная физика для специальности 010701 "Физика"
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- 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 по дисциплине Электричество и магнетизм для специальности, 430.57kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Квантовая теория Для специальности 010701, 319.56kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплина «физика» Кафедра общей и экспериментальной, 611.05kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика атомного ядра и частиц Для направления/специальности, 743.68kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика атома и атомных явлений», 803.75kb.
- 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.
- Методические указания к лабораторным работам по физике по практикуму «Вычислительная, 138.12kb.
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра общей физики
Учебно-методический комплекс по дисциплине
Молекулярная физика
для специальности 010701 "Физика"
Кемерово 2007
| 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 "Молекулярная физика".
2. Примерная учебная программа курса, рекомендуемая УМО «Физика»
3. Рабочая программа курса
3.1. Пояснительная записка
3.2. Тематический план
3.3. Содержание дисциплины
3.3.1. Содержание тем курса
3.3.2. Содержание семинаров по курсу
3.3.3. Тематика физического практикума
3.4. Учебно-методическое обеспечение курса
3.4.1. Основная литература
3.4.2. Дополнительная литература
3.4.3. Лекционные демонстрации
3.5. Формы текущего, промежуточного и рубежного контроля
3.5.1. Вопросы и задания для индивидуальной и самостоятельной работы
3.5.2. Вопросы к экзамену и зачету
4. 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 "Молекулярная физика".
Идеальный газ. Понятие температуры. Распределение молекул газа по скоростям. Идеальный газ во внешнем потенциальном поле. Броуновское движение. Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений. Первое начало термодинамики. Циклические процессы. Второе начало термодинамики. Понятие энтропии термодинамической системы. Реальные газы и жидкости. Поверхностные явления в жидкостях. Твердые тела. Фазовые переходы первого и второго рода. Явления переноса.
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: основные экспериментальные факты о дискретном строении вещества, межмолекулярных взаимодействиях, тепловом движении; на уровне курса общей физики: статистическое описание молекулярных явлений, идеальный газ, понятие температуры, распределение молекул газа по скоростям и координатам, броуновское движение, термодинамический подход к описанию молекулярных явлений, первое и второе начала термодинамики, циклические процессы, понятие энтропии, реальные газы и жидкости, поверхностные явления в жидкостях, испарение и кипение, явления переноса.
2. Примерная учебная программа курса «Молекулярная физика», рекомендуемая УМО «Физика»
1. Организационно-методический раздел.
Программа предназначена для подготовки специалистов по всем физическим специальностям, а также бакалавров и магистров физики. Курс "Молекулярная физика", читаемый во 2 семестре после раздела "Механика", 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. Предмет молекулярной физики. Основные экспериментальные факты, свидетельствующие о дискретном строении вещества. Тепловое движение с точки зрения молекулярных представлений. Масштабы физических величин в молекулярной теории. Массы и размеры молекул. Число Авогадро. Особенности межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные состояния и характер теплового движения в газах, жидкостях и твердых телах.
2.2. Статистический подход к описанию молекулярных явлений. Статистические закономерности и описание системы многих частиц. Макроскопическое и микроскопическое состояние системы. Молекулярная система как совокупность частиц и как сплошная среда. Тепловое равновесие систем. Условия равновесия.
2.3. Идеальный газ. Модель идеального газа. Равновесное пространственное распределение частиц идеального газа. Биноминальное распределение (распределение Бернулли). Предельные случаи биноминального распределения: распределения Пуассона и Гауса. Флюктуации плотности идеального газа. Малость относительных флюктуаций. Молекулярная теория давления идеального газа.
2.4. Понятие температуры. Принципы конструирования термометра. Термометрическое вещество и термометрическая величина. Эмпирические шкалы температур. Шкала температур на основе свойств идеального газа. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона - Менделеева).
2.5. Распределение молекул газа по скоростям. Распределение Максвелла. Характерные скорости молекул. Принцип детального равновесия. Наивероятнейшая, средняя и среднеквадратичная скорости молекул газа. Распределение молекул по компонентам скоростей. Экспериментальная проверка распределения Максвелла.
2.6. Идеальный газ во внешнем потенциальном поле. Распределение Больцмана. Барометрическая формула. Распределение Максвелла - Больцмана и его экспериментальная проверка.
2.7. Броуновское движение. Столкновения молекул в газе. Длина свободного пробега. Частота соударений. Газокинетический диаметр. Рассеяние молекулярных пучков в газе. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Броуновское движение. Формула Эйнштейна. Опыты Перрена по определению числа Авогадро.
2.8. Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений. Термодинамические параметры. Нулевое начало термодинамики. Понятие термодинамического равновесия. Принцип термодинамической аддитивности. Физические ограничения термодинамической теории. Квазистатические процессы. Обратимые и необратимые процессы.
2.9. Первое начало термодинамики. Теплоёмкость системы. Теплоемкость идеального газа. Связь теплоемкости газа с числом степеней свободы молекул. Уравнение Майера. Политропический процесс. Уравнение политропы и его частные случаи. Классическая теория теплоемкости твердых тел. Закон Дюлонга и Пти. Фундаментальные трудности классической теории теплоемкости.
2.10. Циклические процессы. Преобразование теплоты в работу. Нагреватель, рабочее тело, холодильник. Коэффициент полезного действия. Тепловой двигатель и холодильная машина. Цикл Карно и его КПД.
2.11. Второе начало термодинамики. Две теоремы Карно. Термодинамическая шкала температур и её тождественность идеально-газовой шкале. Нестандартные единицы измерения температуры. Неравенство Клазиуса. Второе начало термодинамики. Формулировка Клазиуса и Томсона (Кельвина). Их эквивалентность.
2.12. Понятие энтропии термодинамической системы. Закон возрастания энтропии в неравновесной изолированной системе. Энтропия и вероятность. Микро- и макросостояния системы. Термодинамическая вероятность. Принцип Больцмана. Статистическая интерпретация второго начала термодинамики.
2.13. Реальные газы и жидкости. Реальные газы. Изотермы Амага. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние. Область двухфазных состояний. Метастабильные состояния. Критические параметры газа Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Силы межмолекулярного взаимодействия. Потенциал Леннарда - Джонса. Эффект Джоуля - Томсона. Методы получения низких температур.
2.14. Поверхностные явления в жидкостях. Коэффициент поверхностного натяжения. Краевой угол. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Капиллярные явления.
2.15. Твердые тела. Кристаллические и аморфные состояния. Кристаллы. Симметрия кристаллов. Элементы точечной симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр инверсии, инверсионная ось симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии. Трансляция и трансляционная симметрия. Кристаллическая решетка. Элементарная ячейка. Сингонии. Решетка Браве. Индексы Миллера. Изоморфизм и полиморфизм. Фазы переменного состава. Дефекты в кристаллах. Дислокации. Понятие о жидких кристаллах.
2.16. Фазовые переходы первого и второго рода. Фаза. Классификация фазовых переходов по Эренфесту. Термодинамический потенциал Гиббса как функция состояния. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Скрытая теплота перехода. Тройная точка. Фазовые переходы второго рода. Аномалии теплового расширения при фазовых переходах.
2.17. Явления переноса. Понятие о релаксационных процессах в молекулярных системах. Диффузия: закон Фика. Внутреннее трение (перенос импульса): закон Ньютона - Стокса. Теплопроводность: закон Фурье. Уравнение переноса. Явление переноса в газах. Связь коэффициентов переноса с молекулярно-кинетическими характеристиками газа.
3. Темы семинаров по курсу Молекулярная Физика.
3.1. Основные понятия теории вероятностей. Биноминальное распределение. Распределение Пуассона и Гаусса.
3.2. Распределение Максвелла. Характерные скорости молекул газа. Доля молекул в заданном интервале скоростей.
3.3. Распределение Больцмана. Распределение молекул в поле сил тяжести и в поле сил инерции.
3.4. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Броуновское движение.
3.5. Явления переноса.
3.6. Первое начало термодинамики. Процессы в идеальном газе. Теплоемкость.
3.7. Обратимые циклы. КПД циклов.
3.8. Второе начало термодинамики. Энтропия.
3.9. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса.
3.10. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Эффект Джоуля-Томсона.
3.11. Поверхностные явления.
4. Основная тематика задач Общего Физического Практикума (Лабораторные работы).
4.1. Вакуумная техника.
4.2. Измерение коэффициента поверхностного натяжения.
4.3. Измерение коэффициента вязкости жидкости.
4.4. Измерение коэффициента теплопередачи в водороде.
4.5. Измерение скорости звука в воде и в металле.
4.6. Измерение температуропроводности тела.
4.7. Измерение теплоемкости металлов.
4.8. Измерение температуры термоэлектронов.
4.9. Изучение распределения Больцмана.
4.10. Измерение теплоемкости воздуха и жидкостей.
4.11. Измерение давления паров и вязкости воды.
4.12. Дифференциальный калориметр.
4.13. Распределение электронов по энергиям.
4.14. Изучение работы тепловой машины.
5. Учебно - методическое обеспечение раздела Молекулярная Физика.
5.1. Основная литература.
5.1.1. А.К.Кикоин, И.К.Кикоин. Молекулярная физика. М.; Наука, 1976.
5.1.2. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. М.; Наука, 1990.
5.1.3. А.Н.Матвеев. Молекулярная физика. М.; Высшая школа, 1987.
5.1.4. В.Л.Гинзбург, Л.М.Левин, Д.В.Сивухин, И.А.Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика.(Под редакцией Д.В.Сивухина). М.; Наука, 1988.
5.1.5. П.С.Булкин, И.И.Попова. Общий физический практикум. Молекулярная физика. Под редакцией А.Н.Матвеева и Д.Ф.Киселева. Издательство Моск. Универ. 1988.
5.2. Дополнительная литература.
5.2.1. Ф.Рейф. Статистическая физика. Берклеевский курс физики. Т.5. М.; Наука, 1986.
5.2.2. Р.Фейман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Феймановские лекции по физике. Вып.4. Кинетика. Теплота. Звук. М.; Мир, 1977.
5.2.3. Р.В.Поль. Механика, акустика и учение о теплоте. М.; Наука, 1971.
5.2.4. И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.1. М.; Наука, 1986.
6. Распределение часов курса по темам и видам работ.
| N п\п | Наименование раздела | ВСЕГО (часов) | Аудиторные занятия (час) | Самостоятельная работа | ||
| Лекции | Семинары | Практикум | ||||
| 1 | Молек.Физика | 287 | 48 | 32 | 80 | 127 |
7. 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 --- 2 семестр. Экзамен --- 2 семестр.
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра общей физики
«Утверждаю»
Декан физического факультета
_______________________
(подпись)
«___» ___________ 200_ г.