Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической работе Е. Г. Елина " " 2011 г. Рабочая программа
| Вид материала | Рабочая программа |
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 143.27kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 149.05kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.35kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 229.8kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 233.64kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 193.22kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 217.53kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.56kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.29kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 300.74kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебно-методической работе
____________________Е.Г.Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Лазерная физика
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Цели освоения дисциплины «Колебания и волны» состоят в обеспечении студентов знаниями и навыками в области математических и естественно-научных знаний, связанных с одним из основных направлений современной физики — теорией колебаний и волн, в выработке практических навыков решения общефизических проблем и их практических применений в области лазерной физики, в получении высшего профессионально профилированного образования в области лазерной физики, позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности в РФ и за рубежом, обладать универсальными и предметно специализированными компетенциями, способствующими его социальной мобильности, востребованности на рынке труда и успешной профессиональной карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Колебания и волны» относится к Математическому и естественнонаучному циклу (Б.2), вариативной части этого цикла (Б2В3).
Дисциплина «Колебания и волны» в рамках учебного плана следует за взаимосвязанными с нею дисциплинами базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла, такими как «Механика», «Электричество и магнетизм», «Оптика». Дисциплина «Колебания и волны» призвана формировать как профессиональные знания, так и общее физическое мировоззрение обучаемого в области современных представлений об общности основных законов и механизмов колебательных и волновых явлений в живой и неживой природе.
При освоении данной дисциплины необходимы знания по следующим разделам общего курса физики: механика, электричество и магнетизм, волновая оптика, математики: математический анализ, аналитическая геометрия, теория функций комплексного переменного, дифференциальные уравнения, а также таких дисциплин профессионального цикла как «Основы биомедицинской физики»
Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и монографической учебной литературой, умение решать физические задачи, требующие применения дифференциального и интегрального математического аппарата, умение производить приближенные преобразования аналитических выражений, навыки работы на компьютере с математическими пакетами программ (например, MathCad, MathLab, Mathematics), текстовыми (например, MS Word, MS Excel) редакторами, умение программировать и использовать численные методы решения физических задач, иметь навыки работы на физических экспериментальных установках, умение оформления результатов экспериментов с использованием графического материала и с оценкой погрешностей измерений.
Знания, полученные при освоении дисциплины «Колебания и волны» необходимы для расширения общенаучного кругозора обучающихся в части выработки методологии и практических подходов к анализу сложных процессов в окружающей природе и обществе, а также при персонализированном взаимодействии с социумом.
Дисциплина «Колебания и волны» базируется на общности теоретических методов исследований колебательных и волновых явлений в оптике с одной стороны, и в радиофизике, биофизике, нелинейной динамике с другой стороны. Поэтому данная дисциплина тесно связана с такими дисциплинами Математического и естественнонаучного цикла (Б.2) как «Теория случайных процессов и полей» и Профессионального цикла (Б3) «Основы Фурье-оптики».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Колебания и волны»
В результате освоения дисциплины «Колебания и волны» должны формироваться в определенной части следующие компетенции:
общекультурные:
способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ОК-1);
общепрофессиональные:
способностью использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
основные концепции теории колебаний и волн на примерах физических явлений в модельных системах, таких, как консервативные колебания в линейном осцилляторе, линейный и нелинейный резонанс, автоколебания, синхронизация, основные типы волн в пассивных и активных средах.
•Уметь:
пользоваться теоретическими положениями и математическими методами теории колебаний и волн для содержательного анализа динамики конкретных колебательных и волновых систем, в том числе — из области интересов лазерной физики.
•Владеть:
- вычислительными методами нелинейной динамики для практического анализа сложной динамики модельных систем, как общефизического характера, так и по профилю профессиональной подготовки «Лазерная физика» .
4. Структура и содержание дисциплины «Колебания и волны»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы (108 часов всего, 72 часов аудиторных занятий), в том числе 18 часов лекционных занятий, 54 часа лабораторных работ и 36 часов на самостоятельную работу. Форма итоговой аттестации — зачет.
4.1. Структура дисциплины
| № п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Формы промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
| 1 | Незатухающие колебания систем с одной степенью свободы | 7 | 1 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | УО-1 |
| 2 | Вынужденные колебания под действием гармонической силы | 7 | 2 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | УО-1 |
| 3 | Автоколебания | 7 | 3 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | УО-1 |
| 4 | Свободные незатухающие колебания в системах с двумя степенями свободы | 7 | 4 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | УО-1 |
| 5 | Колебания систем со многими степенями свободы | 7 | 5 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | ПР-2 |
| 6 | Волны в твердых телах | 7 | 6 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | УО-1 |
| 7 | Звуковые волны | 7 | 7 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | УО-1 |
| 8 | Волны на поверхности жидкости | 7 | 8 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | УО-1 |
| 9 | Волны в активных средах | 7 | 9 | Л(2) | | ЛР(6) | СР(4) | ПР-3 |
- Содержание дисциплины
1. Незатухающие колебания систем с одной степенью свободы. Метод векторных диаграмм. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний. Динамическая система. Фазовое пространство и фазовая траектория. Фазовый портрет колебательной системы. Негармонические колебания математического маятника. Свободные колебания в диссипативных системах с вязким и сухим трением.
2. Вынужденные колебания под действием гармонической силы. Медленные колебания. Быстрые колебания. Линейный резонанс. Метод комплексных амплитуд. Вынужденные колебания с произвольной частотой Баллистический режим колебаний. Установление колебаний. Характеристики различных колебательных систем (осцилляторов). Параметрические колебания. Нелинейный резонанс.
3. Автоколебания. Маятник на вращающемся валу (маятник Фруда). Осциллятор ван дер Поля. Получение и решение укороченных уравнений. Бифуркация Андронова-Хопфа.
Жесткое возбуждение автоколебаний. Релаксационные автоколебания.
4. Свободные незатухающие колебания в системах с двумя степенями свободы. Методика анализа колебаний связанных осцилляторов. Соотношение между парциальными и нормальными частотами.Затухание колебаний. Энергия колебательной системы и ее диссипация. Вынужденные колебания в системах с двумя степенями свободы .
5. Колебания систем со многими степенями свободы. Распространение возмущений в системе с большим числом степеней свободы. Возбуждение волн. Группа волн и ее скорость. Волновое уравнение. Отражение волны на конце шнура. Возбуждение стоячих волн в шнуре. Моды колебаний. Волны в упругих телах. Поперечные волны. Энергия, переносимая волной. Продольные волны. Скорость волн в тонком стержне. Скорость волн в толстом стержне. Явления на границе двух сред.
6. Волны в твердых телах. Тепловые колебания кристаллической решетки твердых тел. Акустические фононы. Объемные сейсмические волны. Поверхностные сейсмические волны.
7. Звуковые волны. Энергия, переносимая звуковой волной. Поглощение звука. Излучатели звука. Применение акустических методов. Основные характеристики звука. Закон Вебера-Фехнера. Диаграмма слуха. Акустические резонаторы. Некоторые сведения о музыкальных инструментах Эффект Доплера. Бинауральный эффект. Интерференция волн. Дифракция волн.
8. Волны на поверхности жидкости. Гравитационные волны. Волны глубокой воды. Волны мелкой воды. Характер движения частиц жидкости. Капиллярные волны. Волны цунами.
9. Волны в активных средах. Возбимые среды и системы реакции-диффузии. Распространение нервного импульса по аксону нейрона. Фронты переключения в бистабильных средах. Спиральные волны в живой природе и в модельных системах.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Колебания и волны» используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации, лабораторные работы, контрольные работы, самостоятельные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и обсуждение изучаемых явлений и эффектов, компьютерные демонстрации с использованием современных цифровых систем изобразительной техники.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы студента
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
- выполнение комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по всем разделам дисциплины;
- изучение теоретического материала по методическим руководствам к специальному практикуму.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой работы предусмотрен на лабораторных занятиях по данной дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины и не рассмотренных на лекциях предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля (устный опрос и две письменные работы) по данной дисциплине;
- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде отчету по этому виду самостоятельной работы;
- изучение теоретического материала по методическим руководствам к практикуму «Колебания и волны» предусмотрено еженедельно с отчетом о проделанной работе на практических лабораторных занятиях.
Задания для самостоятельной работы
1. Выполнить расчет характеристик колебаний для модельных динамических системах с характеристьиками трения по заданию преподавателя.
2. Средствами вычислительного эксперимента, получить кривые нелинейного резонанса для неавтономной модельной системы по указанию преподавателя.
3. Провести расчет стационарной амплитуды автоколебаний для модельной системы с нелинейной диссипацией (конкретный вид функции указывает преподаватель).
4. Самостоятельно разработать и обосновать модельную автоколебательную систему, реализующую заданный тип бифуркации рождения периодических автоколебаний (по виду пересечения графиков нуль-клин).
5. Выполнить теоретический анализ 1:1 области синхронизации в модельной системе с дискретным временем, включая локализацию линий сверхустойчивости циклов.
6. Провести вычислительный эксперимент по наблюдению и определению характеристик трехчастотных колебаний. Программное обеспечение предоставляется преподавателем.
7. Средствами вычислительного эксперимента, исследовать поведение модели, аппроксимирующей распространение одномерной волны в виде массива связанных осцилляторов.
8. Выполнить теоретический анализ на устойчивость решения модельной возбудимой среды с локальной динамикой по типу Фитсхью-Нагумо в зависимости от величины потерь при передаче возбуждения.
9. Средствами вычислительного эксперимента добится генерации спиральной волны в модельной двумерной возбудимой среде. Программное обеспечение предоставляется преподавателем.
Контрольные вопросы и задания для проведения nромежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
(перечень экзаменационных вопросов):
1. Дайте определение динамической системы.
2. Фазовое пространство и фазовый портрет колебательной системы.
3. Охарактеризуйте различие свободных колебаний в системах с вязким и сухим трением.
4. Линейный резонанс.
5. Нелинейный резонанс.
6. Дайте развернутое определение автоколебаний.
7. Охарактеризуйте механизм рождения автоколебаний через бифуркацию Андронова-Хопфа.
8. Мягкое и жесткое возбуждение автоколебаний.
9. Охарактеризуйте свободные колебания в двух связанных консервативных осцилляторах.
10. Релаксационные автоколебания.
11. Распространение возмущений в системе с большим числом степеней свободы.
12. Группа волн и ее скорость. Волновое уравнение.
13. Звуковые волны.
14. Гравитационные волны на поверхности жидкости.
15. Волны в активных средах.
Темы лабораторных работ практикума по дисциплине «Колебания и волны»
1. Исследование собственных и вынужденных колебаний линейного осциллятора.
2. Исследование колебаний в LCR-контуре (LCR-контур).
3. Исследование явления нелинейного резонанса в последовательном колебательном контуре.
4. Исследование параметрической неустойчивости в колебательном контуре с переменной емкостью.
5. Исследование методов параметрического усиления сигналов (параметрический усилитель).
6. Исследование автоколебаний в RC-системах с обратной связью (RC-генераторы).
7. Исследование автоколебаний в нелинейных системах с отрицательным сопротивлением.
8. Исследование процессов мягкого и жесткого возбуждения автоколебаний.
9. Исследование релаксационных автоколебаний.
10. Исследование волновых и колебательных процессов в распределенных радиосистемах (коаксиальная линия).
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Колебания и волны»
а) основная литература:
Горелик Г. С. Колебания и волны. Учебники и учеб. пособ.д/ высшей школы(ВУЗы). Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2008. 655с.
Иродов И. Е. Общая физика. Волновые процессы. Основные законы. 2-е изд.- М.: Бином, 2004. - 263 с.
Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. Учебник. 3-е изд. - СПб.: Лань, 2005. - 440 с.
б) дополнительная литература
Колебания и волны. Лекции.
В.А.Алешкевич, Л.Г.Деденко, В.А.Караваев (Физический факультет МГУ)
Издательство Физического факультета МГУ, 2001 г.
А. Пиковский, М. Розенблюм, Ю. Куртс. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. Москва: Техносфера, 2003. - 496с.
Анищенко В.С., Астахов В.В., Вадивасова Т.Е., Нейман А.Б., Стрелкова Г.И., Шиманский-Гайер Л. Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003, 544 стр.
Ванаг В.К. Диссипативные структуры в реакционно-диффузионных системах.
Эксперимент и теория. ISBN 978-5-93972-658-0 ИКИ 2008 г. 300 стр.
в) Интернет-ресурсы
svet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/KOLEBANIYA_I_VOLNI.php
ist.php?c=kolobaniya
net.ru/db/msg/1175791
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Колебания и волны»
8.1. Лекционное материально-техническое обеспечение:
Компьютер, мультимедийный проектор.
8.2. Лабораторное материально-техническое обеспечение:
Установки и другое оборудование лабораторных работ практикума.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и профилю подготовки Лазерная физика.
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор Д.Э. Постнов
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от ___________года, протокол № _________________.
Подписи:
Зав. кафедрой В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа) В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа) В.М. Аникин