Утвержда ю
| Вид материала | Самостоятельная работа |
- Утвержда ю, 31.92kb.
- Утвержда ю министр сельского хозяйства, 2034.96kb.
- Утвержда ю, 105.54kb.
- Утвержда ю министр сельского хозяйства, 2034.91kb.
- Исх. №08-01-08/6165 от 04. 06. 2009 г. Утвержда, 867.89kb.
- Утвержда ю, 143.21kb.
- Утвержда ю» Начальник му «Управление образования», 1199.77kb.
- И. Г. Петровского Утвержда ю: зав кафедрой рабочая программа, 52.3kb.
- Государственный Комитет Российской Федерации по высшему образованию утвержда ю: Заместитель, 367.36kb.
ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
У Т В Е Р Ж Д А Ю
Декан физического факультета
_________________проф.Сметанин Е.В.
"____" ________________ 2003 г.
Р А Б О Ч А Я П Р О Г Р А М М А
Электричество и магнетизм
Специальность 010400 – ФИЗИКА, направление 510400-ФИЗИКА
Факультет физический
Курс 2 Семестр 3
Кафедра общей физики
Общая трудоемкость дисциплины: 292 час.
В том числе:
Лекции 44 час.
Практические занятия 64 час.
Лабораторные занятия 72 час.
Самостоятельная работа 112 час.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
"_____"_____________2003г.
Заведующий кафедрой общей физики доц. Л.И. Минеев
I. Объяснительная записка
Цель изучения курса общей физики в университете состоит в том, чтобы представить физическую теорию как обобщение наблюдений, практического опыта и эксперимента. Физическая теория выражает связь между физическими явлениями и величинами в математической форме. Поэтому курс общей физики имеет два аспекта.
- Этот курс является экспериментальным и должен знакомить студентов с основными методами наблюдения, измерения и экспериментирования. Он сопровождается необходимыми физическими демонстрациями и лабораторными работами в общем физическом практикуме.
- Курс представляет собой физическую теорию в адекватной математической форме и ставит целью научить студентов использовать теоретические знания, поэтому он излагается на соответствующем математическом уровне и сопровождается семинарскими занятиями.
Задачей раздела «Электричество» является представление в дифференциальной и интегральной формах законов электрических и магнитных явлений и как окончательный результат – формулировка уравнений Максвелла. В качестве экспериментальной основы теории электричества и магнетизма в программе предусмотрено рассмотрение соответствующих электрических и магнитных явлений, однако всегда следует иметь в виду неразрывную связь электрических и магнитных полей как проявление единого электромагнитного поля.
Объем учебного материала, указанного в программе, не может быть изложен только в лекционном курсе. Программа может быть выполнена лишь при полном и целесообразном использовании лекций, семинарских и лабораторных занятий, а также времени для самостоятельной работы студентов. Главные проблемы курса рассматриваются в лекциях, прорабатываются на семинарских и лабораторных занятиях. Остальной материал должен быть проработан самостоятельно.
В данной рабочей программе предусмотрен перечень вопросов, необходимых для усвоения основных физических понятий раздела «Электричество» (программа минимум).
При оценке знаний студента на экзамене учитывается:
- понимание и степень усвоения теории вопроса,
- методологическая подготовка,
- степень усвоения физического материала курса,
- знакомство с основной литературой,
- умение приложить теорию к практике, решать задачи, осуществлять расчеты, составлять схемы и т.п.,
- знакомство с историей науки,
- логика, структура и стиль ответа, умение защищать выдвигаемые научно-теоретические положения.
Таким образом, экзамены являются органической частью учебного процесса, естественным его завершением, так как подготовка к ним в конечном итоге содействует обобщению и укреплению знаний, приведению их в строгую систему, а также – устранению пробелов, возникших в процессе учебных занятий. При подготовке к экзаменам уточняется и дополняется многое из того, что на лекциях и практических занятиях было понятно и усвоено в общей форме или не понятно вовсе.
II. Содержание учебного материала
2.1. Разделы курса
Раздел 1. Введение.
Раздел 2. Электростатика.
Раздел 3. Проводники в электростатическом поле.
Раздел 4. Диэлектрики в электростатическом поле.
Раздел 5. Постоянный электрический ток.
Раздел 6. Постоянное магнитное поле.
Раздел 7. Магнетики.
Раздел 8. Электромагнитная индукция.
Раздел 9. Электромагнитные колебания.
Раздел 10. Переменный синусоидальный ток.
Раздел 11. Механизмы электропроводности.
Раздел 12. Уравнения Максвелла.
2.2.Краткое содержание разделов по темам.
1.1.Введение. Электромагнитное взаимодействие и его место среди других взаимодействий в природе. Электрический заряд. Микроскопические носители заряда. Опыт Милликена. Закон сохранения электрического заряда.
1.2.Электростатика. Закон Кулона. Его полевая трактовка. Вектор напряженности электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Остроградского – Гаусса, ее 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 ее 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 ее объемная плотность. Энергия электрического диполя во внешнем поле.
1.3.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. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора. Силы, действующие на проводники в электрическом поле.
1.4.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. Ее 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 пондеромотоных 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.
1.5.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.
1.6.Постоянное магнитное поле. Электромагнетизм. Магнитостатика. Взаимодействие токов. Элемент тока. Закон Био-Саварра-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.
1.7.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. Остаточноя индукция и коэрцитивная. Температурная зависимость намагниченности. Точка Кюри. Силы, действующие на магнетики в магнитном поле. Магнитные материалы и их применение.
1.8.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. Ее объемная плотность. Энергия магнитного поля в веществе.
1.9.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 ее связь с добротностью контура. Процесс установления вынужденных колебаний.
Колебания в связанных контурах. Парциальные колебания и их частоты. Нормальные колебания (моды) и их частоты.
1.10.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.
1.11.Механизмы электропроводности. Проводники. Основные положения классической электронной теории проводимости Друде – Ленца. Опыты Толмена и Стюарта. Закон 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 р- и n-типа. Р-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.
1.12.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.
III.Тематическое планирование
| № п/п | Наименование разделов, тем | Всего часов (общая трудоемкость) | Аудиторные занятия | Самостоятельная работа | ||
| лекции | семинары, практич. занятия | лабораторные работы | ||||
| 1. | Закон Кулона, принцип суперпозиции. | 16 | 2 | 4 | 4 | 6 |
| 2. | Теорема Гаусса и ее применения. | 14 | 2 | 4 | | 8 |
| 3. | Потенциал, емкость, энергия. | 12 | 2 | 4 | | 6 |
| 4. | Проводники и диэлектрики в электрическом поле | 14 | 4 | 2 | 4 | 4 |
| 5. | Закон сохранения энергии и пондеромоторные силы в электрическом поле. | 12 | 2 | 4 | | 6 |
| 6. | Контрольная работа № 1. | 2 | | 2 | | |
| 7. | Постоянный ток. Уравнение неразрывности и условие стационарности. Закон Ома. | 22 | 2 | 4 | 8 | 8 |
| 8. | Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца. | 16 | 2 | 4 | 4 | 6 |
| 9. | Расчет цепей, Правила Кирхгофа. | 22 | 2 | 4 | 8 | 8 |
| 10. | Механизмы электропроводности. | 22 | 4 | 2 | 8 | 8 |
| 11. | Контрольная работы № 2. | 2 | | 2 | | |
| 12. | Закон Био-Саварра – Лапласа и принцип суперпозиции | 16 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 13. | Теорема о циркуляции. | 14 | 2 | 4 | | 8 |
| 14. | Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция. Взаимоиндукция. | 24 | 4 | 4 | 8 | 8 |
| 15. | Энергия магнитного поля. Пондеромоторные силы в магнитном поле. | 16 | 2 | 4 | 4 | 6 |
| 16. | Движение заряженных частиц в электромагнитных полях. | 12 | | 2 | 4 | 6 |
| 17. | Магнетики. Граничные условия. | 16 | 4 | 2 | 4 | 6 |
| 18. | Квазистационарные процессы. Колебательный контур. | 18 | 4 | 2 | 4 | 8 |
| 19. | Переменный ток. | 20 | 2 | 4 | 8 | 6 |
| 20. | Контрольная работа № 3. | 2 | | 2 | | |
IV.Формы промежуточного и итогового контроля.
- Контрольная работа № 1 по теме «Электростатика».
- Контрольная работа № 2 по теме «Постоянный ток».
- Контрольная работа № 3 по теме «Магнетизм».
- Систематические отчеты студентов по лабораторным работам.
- Систематические отчеты студентов по выполнению домашних заданий.
- Зачет.
- Экзамен.
V.Учебно-методическое обеспечение курса.
5.1.Основная литература:
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.Университет. 1987.
5.2.Дополнительная литература:
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. Фейман 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.
5.3.Программа – минимум:
I.Электростатика. Диэлектрики.
Микроскопические носители зарядов. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса и ее применение к вычислению полей различных тел.Дифференциальная формулировка потенциальности электростатического поля. Вычисление потенциалов.
Полярные и неполярные диэлектрики. Вектор поляризации. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость. Электрическое смещение. Преломление силовых линий на границе раздела диэлектриков. Поляризация полярных и неполярных диэлектриков.
Силы в электрическом поле. Силы, действующие на заряд, диполь. Энергия системы зарядов. Энергия заряженного проводника, энергия электрического поля. Локализация энергии в пространстве.
II.Постоянный ток. Электропроводность.
Электрическое поле при наличии тока. Уравнение непрерывности и условие стационарности тока. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме. Сопротивление проводников. Измерение тока и напряжения. Напряженность сторонних сил. ЭДС. Закон Ома для полной цепи. Правила Кирхгофа. Природа носителей тока в металлах. Классическая электронная теория электропроводности.
III.Магнитное поле. Электромагнитная индукция.
Закон Био-Саварра – Лапласа. Вектор магнитной индукции. Поле прямого и кругового тока. Закон Ампера. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции и ее применение для расчета полей. Уравнение Максвелла для вектора магнитной индукции. Вихревой характер магнитного поля. Виток с током в магнитном поле (ориентация, втягивающая сила, деформирующая сила). Магнитный поток. Работа магнитных сил. Сила Лоренца. Магнитное поле движущегося заряда. Эффект Холла.
Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Дифференциальная формулировка закона электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
Молекулярные токи в магнетиках. Вектор намагниченности. Магнитная проницаемость и восприимчивость.
IV.Квазистационарные переменные токи.
Критерий квазистационарности. Цепь с источником переменной ЭДС, сопротивлением, индуктивностью, емкостью. Закон Ома для переменного тока. Методы векторных диаграмм и комплексных амплитуд.
V.Уравнения Максвелла. Электромагнитные волны.
Ток смещения. Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах. Электромагнитные волны.
5.4.Темы семинаров:
1. Закон Кулона и принцип суперпозиции.
2. Теорема Остроградского – Гаусса и ее применения.
3. Потенциал. Энергия. Емкость.
4. Диэлектрики. Граничные условия.
5. Закон сохранения энергии и пондеромоторные силы в электрическом поле.
6. Постоянный ток.
7. Закон Био-Саварра – Лапласа и принцип суперпозиции. Теорема о циркуляции.
8. Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция. Взаимная индукция.
9. Энергия магнитного поля. Пондеромоторные силы в магнитном поле. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях.
10. Магнетики. Граничные условия.
11. Квазистационарные процессы.
12. Колебательный контур.
13. Переменный ток.
5.5.Лабораторные работы:
1. Изучение электростатического поля.
2. Определение элементарного заряда.
3. Сегнетоэлектрики.
4. Определение работы выхода электрона.
5. Определение удельного заряда электрона.
6. Электронная лампа. Полупроводниковый диод. Транзистор.
7. Методы создания магнитного поля и измерения его индукции.
8. Магнитная индукция в ферромагнетиках.
9. Эффект Холла.
10. Ларморова прецессия.
11. Магнитострикция.
12. Переходные процессы в L-, С- и R-цепях.
13. Амплитудные и фазовые соотношения в цепях переменного тока.
14. Резонанс в цепях переменного тока.
15. Гармонический анализ.
16. Электромагнитные волны в двухпроводной линии.
5.6.Задачи для самостоятельной работы.
1.Электростатика:
Яковлев и.А. Сборник задач по общему курсу физики. М., 1977.
(№№ 4, 6, 9, 10, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21, 25, 27, 28, 32, 34, 37, 38, 44, 47, 48, 61, 62, 63, 65, 72, 90, 103).
Сахаров Д.И. Сборник задач по общему курсу физики. М., 1973.
(Гл.20: №№ 2, 3, 5, 8, 11, 19, 23, 24. Гл.21: №№ 16, 20, 25).
2.Постоянный ток:
Яковлев И.А. - №№ 183, 186, 189, 190, 192, 193, 197, 207, 208, 213, 214, 219, 224, 230, 231, 232, 233, 235, 240, 248, 251, 252, 257.
Сахаров Д.И. – Гл.25: №№ 1, 6, 9, 14, 26; Гл.26: №№ 2, 4, 11, 14, 17, 18, 19, 20, 21, 26.
3.Магнетизм:
Яковлев И.А. - №№ 239, 294, 295, 296, 302, 305, 308, 309, 335, 343, 378, 382, 401, 455.
Сахаров Д.И. – гл.31: №№ 8, 11, 17, 24, 27, 30, 41, 49; Гл.32: №№ 4, 6, 8, 13, 23, 28.
Автор (автор – составитель) программы проф. Кулаков В.Е.