Geum.ru

Программа по курсу общей физики для Радиофизического факультета

Вид материалаПрограмма

Содержание


Томский государственный университет
Молекулярная физика и
Основы электромагнетизма
Пьезоэлектрики. Сегнетоэлектрики. Температура Кюри. Гистерезис.
B через замкнутую поверхность. Циркуляция вектора B
Вывод ЭДС индукции по Гельмгольцу
Призма Николя. Поляроид.
Подобный материал:

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ


Доцент Клыков И.И.


ПРОГРАММА ПО КУРСУ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ


для

Радиофизического факультета


Курс лекций рассчитан на четыре семестра. Лекции начинаются с первого семестра первого курса. Раскладка по часам следующая.


Номер семестра
Лекции
Лабораторные

занятия
Практические

занятия

1
54
36
36

2
50
36
36

3
54
36
36

4
50
36
36

Итого
208
144
144



ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ


Доцент Клыков И.И.


ПРОГРАММА ПО КУРСУ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ


для

Радиофизического факультета


МЕХАНИКА


Введение. Предмет физики. Физика и математика. Роль эксперимента и теории в физике. Физическая модель, физические законы, физическая теория.

Кинематика. Пространство, время, масса. Механическое движение. Системы единиц. Система отсчета. Операции над векторами. Скалярное, векторное, смешанное произведение векторов. Дифференцирование векторов. Траектория. Радиус-вектор. Путь. Перемещение. Скорость. Ускорение. Касательный вектор. Движение по кривой. Нормальный вектор. Соприкасающаяся окружность, радиус кривизны, Нормальное и тангенциальное ускорение. Путь и перемещение как интеграл. Основная задача кинематики. Роль начальных условий.

Динамика. Законы Ньютона. Представления Ньютона о пространстве и времени. Масса. Импульс.

Инерциальные системы отсчета. Два типа задач в классической механике. Принцип относительности и преобразования Галилея. Центр масс системы материальных точек. Теорема о движении центра масс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Формулы Мещерского и Циолковского.

Работа. Мощность. Кинетическая энергия. Поле сил. Работа в однородном поле, в поле центральных сил. Консервативные силы, потенциальные поля. Работа консервативных сил по замкнутому контуру. Потенциальная энергия. Градиент. Связь между силой и потенциальной энергией. Закон сохранения энергии. Упругое и неупругое соударение шаров. Условие равновесия механической системы.

Основы специальной теории относительности (СТО). Постулаты СТО. Преобразования Лорентца. Следствия из преобразований Лорентца: одновременность событий; длина тела; замедление времени. Интервал. Преобразование и сложение скоростей. Релятивистский импульс. Второй закон Ньютона и преобразование силы в СТО. Релятивистская энергия. Энергия покоя. Инварианты. Преобразования импульса и энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Фотон, его масса. Гравитационная и инертная массы. Принцип эквивалентности.

Неинерциальные системы отсчета. Преобразования координат, скорости и ускорения в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции: переносная, центробежная, кориолисова. Особенности сил инерции.

Момент импульса частицы. Момент силы. Закон сохранения момента импульса. Второй закон Кеплера. Момент импульса системы материальных точек. Уравнение моментов.

Абсолютно твердое тело. Степени свободы. Движение твердого тела под действием сил. Пара сил. Свойства системы центра масс. Моменты сил и импульса относительно оси. Уравнение моментов относительно оси. Момент инерции. Его вычисление. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Работа момента сил при вращении твердого тела. Тензор инерции. Главные оси. Кинетическая энергия при произвольном вращении твердого тела. Свободные оси. Кинетическая энергия тела при плоском движении. Аналогия между поступательным и вращательным движением. Гироскоп. Прецессия. Скатывание тел с наклонной плоскости. Радиус инерции.

Колебания. Периодическая функция. Гармонический осциллятор: масса на пружине, математический маятник, физический маятник, LC - контур. Роль начальных условий. Амплитуда, частота, фаза. Графики смещения, скорости, ускорения гармонического осциллятора. Энергия гармонического осциллятора.

Затухающий гармонический осциллятор (масса на пружине с мокрым трением и RCL - осциллятор). Метод комплексных чисел. Решение уравнения затухающего гармонического осциллятора. Подкритическое, критическое, надкритическое затухание. Коэффициент затухания, период, частота, амплитуда затухания. Время затухания. Логарифмический декремент затухания. Добротность осциллятора. Энергия затухающих колебаний. Сложение колебаний. Колебания ожного направления и одной частоты. Метод векторных диаграмм. Биения. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.

Гармонический осциллятор под действием внешней гармонической силы. Решение уравнения методом комплексных чисел. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс. Добротность. Графики амплитуд смещения, скорости и ускорения в зависимости от частоты вынуждающей силы. Ширина резонансной кривой. Воздействие произвольной силы на гармонический осциллятор. Фурье - разложение силы.

Нелинейные колебания. Автоколебания. Релаксационные колебания. Параметрический резонанс.

Волны в различных средах. Продольные и поперечные волны. Фронт волны. Волновая поверхность. Период, длина волны, волновое число, волновой вектор, частота. Уравнение плоской волны (тригонометрическое и экспоненциальное представления). Волновое уравнение. Оператор д’Аламбера. Принцип суперпозиции. Когерентность. Интерференция. Стоячие волны. Уравнение стоячей волны. Узлы и пучности смещения, скорости, деформации. Колебания струны. Собственные частоты. Уравнение стоячей волны для струны, закрепленной с обоих концов.

Упругие волны в твердой среде. Фазовая скорость продольных и поперечных волн. Энергия упругой волны. Объемная плотность энергии. Поток энергии, плотность потока энергии. Вектор Умова. Интенсивность волны. Звук. Высота, тембр, громкость. Акустический спектр. Порог слышимости. Порог болевого ощущения. Уровень громкости. Скорость звука в газах. Связь между интенсивностью звуковой волны и амплитудой колебания давления. Эффект Допплера для звуковых волн.


МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И

ТЕРМОДИНАМИКА

Основные положения молекулярно-кинетической теории. Размеры и масса молекул. Кривые потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Динамический и статистический метод. Термодинамическая система, термодинамические параметры.

Идеальный газ. Уравнение Клапейрона–Менделеева. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Число ударов молекул о стенку. Давление газа на стенку. Закон Дальтона. Скорости теплового движения газовых молекул. Опыт Штерна. Температура. Температурные шкалы.

Внутренняя энергия идеального газа. Число степеней свободы молекулы. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы. Средняя кинетическая энергия теплового движения молекулы.

Барометрическая формула. Основные положения теории вероятностей. Распределение Максвелла по компонентам скоростей молекул, по модулю скоростей, по энергиям, по импульсу. Приведенное распределение Максвелла по скоростям, по энергиям. Скорости газовых молекул. Распределение Больцмана.

Применимость классической статистики. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Волны де-Бройля. Условие применимости классической статистики. Фермионы и бозоны. Распределение Ферми-Дирака Бозе-Эйнштейна. Бозе-эйнштейновская конденсация.

Основные положения термодинамики. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Теплоемкость. Работа, совершаемая системой при изменении объема. Применение первого начала к описанию изопроцессов в газах. Формула Майера для теплоемкостей. Политропический процесс. Теплоемкость, работа при политропическом процессе. Теплоемкость идеального и реального процессов.

Принцип действия тепловых машин. Цикл Карно. Второе начало термодинамики. Теорема Карно. Неравенство Клаузиуса. Энтропия. Закон возрастания энтропии. Энтропия идеального газа.

Статистическая трактовка второго начала термодинамики. Термодинамическая вероятность (статистический вес). Формула Больцмана.

Третье начало термодинамики. Основы физической кинетики. Длина свободного пробега молекул. Среднее число соударений молекул в единицу времени. Явления переноса: теплопроводность, диффузия, вязкость. Ультра разреженные газы: сопротивление движению, теплопередача.

Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Поправки на давление и объем. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа: теоретические и экспериментальные. Критическое состояние, критические параметры, критический коэффициент. Двухфазное состояние вещества. Пересыщенный пар и перегретая жидкость. Эффект Джоуля-Томсона.

Жидкости. Строение жидкостей. Переохлажденная жидкость. Аморфное тело. Стеклообразное состояние вещества. Поверхностное натяжение. Свободная энергия. Коэффициент поверхностного натяжения. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Минимальная поверхность. Смачивание и несмачивание. Краевой угол. Капиллярные явления.

Теплоемкость кристаллических тел. Закон Дюлонга и Пти. Квантовая теория теплоемкостей по Эйнштейну. Закон кубов Дебая.


ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА


Сравнительная характеристика сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие. Элементарный заряд. Закон сохранения заряда. Релятивистская инвариантность заряда.

Закон Кулона. Системы единиц СИ и CGSE. Полевая трактовка закона Кулона. Напряженность поля точечного заряда. Принцип суперпозиции. Напряженность поля системы точечных зарядов. Силовые линии. Непрерывное распределение зарядов. Линейная, поверхностная и объемная плотность заряда. Напряженность поля, созданного непрерывным распределением заряда.

Поток вектора. Поток вектора напряженности и теорема Гаусса. Ее применение для расчета электрических полей (плоскость, цилиндр, сфера, шар). Дивергенция. Теорема Гаусса в дифференциальной форме. Ее смысл, сходство и отличие от закона Кулона. Справедливость теоремы Гаусса для движущихся зарядов.

Теорема Ирншоу (без доказательства).

Работа перемещения точечного заряда в электростатическом поле. Теорема о циркуляции вектора E. Потенциальная энергия точечного заряда в электростатическом поле. Потенциал. Неоднозначность потенциала, его нормировка. Потенциал поля точечного заряда. Принцип суперпозиции. Потенциал поля, созданного системой точечных зарядов и непрерывным распределением зарядов. Разность потенциалов. Энергия взаимодействия системы зарядов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и потенциалом. Интегральные и дифференциальные уравнения электростатического поля в пустоте. Уравнения Лапласа и Пуассона.

Электрический диполь. Потенциал и напряженность поля электрического диполя. Момент сил, действующий на диполь в электрическом поле. Потенциальная энергия диполя в электростатическом поле. Диполь в неоднородном электрическом поле.

Поле системы зарядов на больших расстояниях. Мультиполи.


Проводники и изоляторы. Поле в веществе. Микро- и макрополя.

Проводники в электрическом поле. Равновесие зарядов на проводнике. Напряженность поля у поверхности и внутри проводника. Качественная картина распределения заряда по поверхности заряженного проводника. Проводник во внешнем поле. Индуцированные заряды. Качественная картина распределения индуцированных зарядов в проводнике. Электростатическая защита. Метод Фарадея сообщения заряда. Генератор Ван-де-Граафа. Основная задача электростатики проводников. Метод зеркальных отображений.

Электроемкость уединенного проводника. Емкость шара. Конденсаторы (плоский, цилиндрический, сферический). Соединения конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля и ее объемная плотность. Энергия шара, равномерно заряженного по объему. Классический радиус электрона.


Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Полярные и неполярные молекулы. Индуцированный дипольный момент неполярной молекулы. Поляризуемость молекулы. Применимость линейного приближения (по полю) в поляризуемости. Поляризуемость атома водорода. Анизотропия поляризуемости. Поляризованность диэлектрика (вектор поляризации), ее связь с поляризуемостью молекул (для малых значений восприимчивости). Поле внутри диэлектрика. Поверхностная и объемная плотности поляризационных зарядов, их связь с поляризованностью. Теорема Гаусса для диэлектриков. Вектор электрической индукции (смещения) D. Диэлектрическая проницаемость.

Поляризация плотных неполярных диэлектриков. Формула Клаузиуса-Мосотти. Ориентационная поляризация газов. Закон Кюри. Пьезоэлектрики. Сегнетоэлектрики. Температура Кюри. Гистерезис. Условия на границе раздела двух диэлектриков. Сгущение силовых линий в диэлектрике.


Электрический ток. Природа электрического тока. Сила тока, плотность тока. Подвижность заряда. Уравнение непрерывности. Сторонние силы. ЭДС. Циркуляция напряженности E и ЭДС. Напряжение и разность потенциалов. Закон Ома. Сопротивление проводника цилиндрической формы. Закон Ома в дифференциальной форме. Электрическое поле стационарного поля. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Стационарные токи в массивных проводниках. Правила Кирхгофа. Их связь с законами сохранения.


Электромагнетизм. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Сила Лорентца. Принцип суперпозиции для магнитных полей. Сила Ампера. Поле движущегося заряда. Закон Био-Савара. Поле прямого тока. Взаимодействие параллельных токов. Определение единицы силы тока. Поле на оси кругового тока. Магнитный дипольный момент. Контур с током в магнитном поле, момент сил и сила, действующая на контур.

Магнетизм, как релятивистский эффект. Относительность E и B полей. Взаимодействие заряда и прямого тока в различных ИСО.

Преобразование полей в СТО (через ковариантность силы Лорентца).

Поток вектора B через замкнутую поверхность. Циркуляция вектора B, rot B.

Поле бесконечного соленоида.

Работа, совершаемая, при перемещении тока в магнитном поле.

Электромагнитная индукция. ЭДС электромагнитной индукции. Правило Ленца. Вывод ЭДС индукции по Гельмгольцу. Электромагнитная индукция и релятивистское преобразование полей. Изменяющееся магнитное поле. Изменяющееся электрическое поле. Плотность тока смещения.

Токи Фуко.

Самоиндукция. Индуктивность. Индуктивность соленоида. Экстратоки. Взаимная индукция. Коэффициенты взаимоиндукции. Магнитная энергия токов. Объемная плотность энергии магнитного поля. Теорема о сохранении магнитного потока. Получение импульсных сверхсильных магнитных полей.

Магнитное поле в веществе. Микро- и макрополя. Гипотеза Ампера о круговых токах. Намагниченность. Связь намагниченности с плотностью молекулярных токов. Напряженность магнитного поля. Магнитная восприимчивость. Магнитная проницаемость. Условия на границе раздела двух магнетиков. Преломление вектора B на границе раздела. Магнитная защита. Вычисление поля в магнетиках. Связь намагниченности с линейной плотностью токов.

Гиромагнитное отношение (орбитальное и спиновое). Опыт Эйнштейна – де Хааса.

Диамагнетизм. Парамагнетизм. Закон Кюри. Ферромагнетизм. Кривые намагниченности. Гистерезис. Домены. Опыт Баркгаузена. Закон Кюри-Вейса.


Уравнения Максвелла. Еще один вывод тока смещения. Материальные уравнения. Уравнения Максвелла в интегральной форме.

Электромагнитные волны в однородной изотропной среде. Волновое уравнение. Оператор д’Аламбера. Скорость электромагнитных волн. Плоские волны. Соотношения между E и H в волне. Поперечность электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга (для волны и провода с током). Импульс и давление электромагнитной волны. Момент импульса поля. Излучение электромагнитных волн. Излучение электрического диполя.


ОПТИКА

Шкала электромагнитных волн. Уравнения Масквелла. Плоские электромагнитные волны. Фазовая скорость. Инвариантность плоской волны. Энергия волны. Вектор Пойнтинга. Волны в веществе. Поляризационный ток. Комплексный волновой вектор. Закон Бугера. Геометрическая оптика. Эйконал. Уравнение эйконала. Уравнение лучей. Кривизна лучей. Принцип Ферма. Вывод закона Снеллиуса из принципа Ферма. Формула тонкой линзы.

Интерференция. Интерференция двух монохроматических волн. Условия максимумов и минимумов. Ширина интерференционной полосы. Интерференция от двух точечных источников. Оптическая длина пути. Метод деления волн. Интерференционные схемы: Юнг, Френель, Ллойд, Поль. Интерференция в тонких пленках, полосы равного наклона и равной толщины. Интерференция в клине. Кольца Ньютона.

Видность интерференционной картины. Роль конечных размеров источника света на видность картины. Пространственная и временная когерентность. Радиус, длина, время когерентности. Влияние немонохроматичности на видность интерференционной картины.

Интерферометры Жамена, Майкельсона. Интерферометр Фабри-Перо.: полуширина интерференционной полосы, разрешающая сила, свободная область дисперсии.

Применения интерференции. Звездный интерферометр Майкельсона.

Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля. Векторная диаграмма. Зонная и фазовая пластинка. Дифракция Френеля на круглых препятствиях. Пятно Пуассона. Дифракция Френеля на прямолинейном крае полуплоскости. Зоны Шустера. Интегралы Френеля. Спираль Корню. Дифракция Френеля на щели.

Дифракция Фраунгофера на щели. Условие максимума и минимума. Дифракционная ширина щели. Количественный критерий между дифракцией Френеля и Фраунгофера. Дифракция Фраунгофера на прямоугольном и круглом отверстии.

Дифракционная решетка. Формула для интенсивности при нормальном падении лучей. Условие главных максимумов, главных минимумов, вторичных максимумов. Ширина главных максимумов. Наклонное падение света на решетку.

Дифракционная решетка, как спектральный прибор. Свободная область дисперсии. Угловая, линейная дисперсия. Разрешающая сила решетки.

Дифракция рентгеновских лучей. Формула Вульфа-Бреггов.

Разрешающая сила объектива.

Голография.


Поляризованный свет. Естественно-поляризованный, плоскополяризованный, эллиптически поляризованный свет. Поляризатор. Степень поляризации. Закон Малюса.

Поляризация при преломлении и отражении света на границе двух диэлектриков. Угол Брюстера. Формулы Френеля. Фазовые соотношения между падающей и отраженной волнами. Коэффициенты отражения для перпендикулярной и параллельной компонент. Оптически анизотропные среды. Лучевой и волновой вектора. Фазовая и лучевая скорость. Соотношения между векторами D, E, B, N, S. Тензор диэлектрической проницаемости. Двулучепреломление. Оптическая ось, главное сечение кристалла. о- и е-лучи. Дихроизм.

Распространение света в одноосных кристаллах. Лучевые скорости о- и е-волн. Лучевой эллипсоид. Построение Гюйгенса для одноосных кристаллов.

Призма Николя. Поляроид.

Прохождение поляризованного света через кристаллическую пластинку. Четвертьволновая и полуволновая пластинки. Анализ поляризованного света.

Интерференция поляризованного света: в параллельных и сходящихся лучах.

Искусственное двулучепреломление. Фотоупругость. Эффекты Керра, Фарадея. Оптическая активность. Теория вращения плоскости поляризации по Френелю.

Тепловое излучение. Излучательная и поглощателная способность тела. Равновесное излучение. Закон Кирхгофа. Связь между излучательной способностью и объемной плотностью электромагнитной энергии.

Моды кубической полости. Формулы Рэлея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа.

Формула Планка. Закон смещения Вина. Закон Стефана-Больцмана.


Жирным шрифтом выделен материал для самостоятельного изучения.


Программа по курсу общей физики. 338632.doc

РФФ