Б2.В.ОД.1Физика2

4.5Преобразование теплоты в механическую работу. Работа по расширению и сжатию газа, Расчет работы в различных процессах. Коэффициент полезного действия тепловых машин. Использование PV диаграмм для анализа работы тепловых машин. Цикл Карно и его коэффициент полезного действия. Энтропия. Представление цикла Карно на TS диаграмме. Оценка кпд двигателя внутреннего сгорания. Цикл Дизеля, цикл Майера.

4.6Связь теплоемкости идеального газа с числом степеней свободы молекул. Зависимость теплоемкости реальных газов от температуры.

4.7Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Двухфазные состояния вещества изотермы реальных газов Критическая температура, критические параметры – температура, давление, удельный объем и их связь. Агрегатные состояния вещества, фазовые превращения, тройная точка сосуществования фаз. Понятие о фазовых превращениях второго рода

4.8Метод циклов при анализе термодинамических процессов. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Давление насыщенного пара и его связь с теплотой испарения. Процессы кипения и замерзания. Перегретая жидкость, переохлажденный пар. Характерные значения для различных жидкостей, Методы получения низких температур, сжиженные газы.

4.9Элементы термодинамики излучения. Законы СтефанаБольцмана, Кирхгофа, Вина. Абсолютно черное тело, излучение реальных тел.

6.4 Магнитное поле в веществе. Ферромагнетики, диамагнетики, парамагнетики. Напряженность магнитного поля и магнитная проницаемость.

11

Модули «Электродинамика», «Оптика», «Квантовая физика»

Модули «Электродинамика», «Оптика», «Квантовая физика» объединены в семестровый курс, читаемый в 4-м семестре в объеме 32 лекции, 32 семинара и 43 часа самостоятельной работы. Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием для выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете. Итоговая аттестация – экзамен.

Если предыдущие модули курса общей физики имели в основном общеобразовательный характер, и являются базой для дальнейшего изучения физики, то модули 4-го семестра имеют непосредственное отношение к будущей профессиональной деятельности выпускников ФИТ. Технологии,

12

используемые в современных информационных устройствах, непосредственно используют законы и явления, рассматриваемые в модулях «Электродинамика», «Оптика», «Квантовая физика». Невозможно в полном объёме дать полную картину всего богатства законов и явлений этих разделов в семестровом курсе, поэтому выбраны наиболее важные для будущей профессиональной деятельности разделы. Своей задачей в рамках этих модулей авторы считали усвоение студентами основных фундаментальных законов и получение ими базовых знаний и навыков для более детального знакомства, при необходимости, с использованием монографий и научной литературы по данной проблематике. С другой стороны, успешное усвоение материала данных модулей позволит выпускникам грамотно применять и знать физические ограничения тех или иных устройств и технологий, применяемых в информатике.

Модуль «Электродинамика»

Курс начинается с лекции №1, в которой рассматривается явление электромагнитной индукции. Записывается закон электромагнитной индукции Фарадея, поясняется смысл изменения потока во времени. Вводится понятие потокосцепления. Рассматривается поток собственного магнитного поля через одиночный контур с током, вводится индуктивность контура. Определяется энергия магнитного поля, накопленная в контуре, через величину индуктивности. Далее идет рассмотрение нескольких контуров с токами, вводится матрица индуктивных коэффициентов, показывается, что она является симметричной. Разбирается работа устройств, основанных на явлении электромагнитной индукции. В качестве таких устройств рассматриваются асинхронный электродвигатель, генератор и трансформатор. При рассмотрении трансформатора разбирается роль железного ярма, показывается влияние рассеянного потока на работу трансформатора.Во второй части лекции в окончательном виде записываются уравнения электромагнитного поля, формулируется система уравнений Максвелла.

Рассмотренный материал дает возможность перейти в лекции №2 к расчету электрических цепей, содержащих конденсаторы и катушки индуктивности. В этой лекции рассматриваются основные методы расчета таких цепей, а именно даются определения узла, ветви и контура, записываются правила Кирхгофа. Показывается, что для цепей постоянного тока правила Кирхгофа приводят к системе линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных значений токов в ветвях цепи. Приводятся два основанных на правилах Кирхгофа метода – метод контурных токов и метод узловых потенциалов, показывается, что эти методы способны сократить число уравнений системы и для каких топологий цепей их лучше всего применять. Во второй части лекции разбираются переходные процессы в электрических цепях, содержащих конденсаторы и катушки индуктивности. Дается определение переходных процессов, показывается, что в цепях с реактивными элементами эти процессы занимают

13

конечное время. Определяются два правила коммутации при переходных процессах. Показывается, что рассмотренные ранее методы расчета цепей дают систему линейных дифференциальных уравнений. Приводятся примеры расчета переходных процессов для простейших цепей – разрядка конденсатора через сопротивление и подключение источника постоянной ЭДС к RL цепи.

Лекция №3 посвящена рассмотрению цепей переменного тока. Показывается, что это предельный случай рассмотренных ранее процессов, определяющийся частным решением системы дифференциальных уравнений с гармонически зависящей от времени правой частью. Показывается, что прямое отыскание такого решения ведет к излишнему усложнению математических выкладок. Описывается метод комплексных амплитуд, который сводит операции дифференцирования к умножению на комплексную постоянную. Вводятся комплексные импедансы конденсатора и катушки индуктивности, показывается, как необходимо модифицировать правила Кирхгофа, чтобы они опять приводили к системе алгебраических уравнений, только на этот раз относительно комплексной амплитуды токов в ветвях цепи. Исследуется затухание колебаний в последовательном колебательном контуре, вводится понятие добротности. Рассчитывается ток в такой цепи при подсоединении к ней источника переменной ЭДС, строятся зависимости этого тока и напряжения на реактивных элементах в зависимости от частоты источника, показывается, что эти зависимости носят резонансный характер. Оценивается влияние добротности контура и его волнового сопротивления на форму этих кривых. Разбирается отличие резонанса напряжений от резонанса токов.

В первой части лекции №4 рассматривается распространение сигнала в длинных линиях. Вводится их определение, на примере коаксиального кабеля показывается наличие у такой линии индуктивных и емкостных свойств. Выводятся телеграфные уравнения, связывающие напряжение и ток распространяющегося в таких линиях сигнала. В случае отсутствия потерь в линии впервые в курсе выводится волновое уравнение, которое будет неоднократно встречаться впоследствии. Приводится общее решение волнового уравнения в одномерном случае, показывается, что распространение сигнала будет идти со скоростью, определяемой исключительно параметрами линии, в обоих направлениях вдоль этой линии. Вводится волновое сопротивление линии, связывающее напряжение и ток в распространяющейся волне. Рассматриваются случаи различной величины нагрузки, подключенной к концу линии. Вторая часть лекции посвящена рассмотрению квазистационарного приближения. Определяются физические требования для такого приближения, описывается, как модифицируется система уравнений Максвелла в этом случае. Для случая однородной проводящей среды получается уравнение, схожее с уравнением, описывающим диффузионные процессы. Приводится пример затухания магнитного поля в длинном проводящем цилиндре. Рассматривается проникновение внешнего поля в проводящую среду при его гармонической

14

зависимости от времени, определяется характерная глубина его проникновения для простейшего случая среды, граница которой – бесконечная плоскость.

В лекции №5 рассматривается распространение электромагнитного поля в однородной среде без свободных зарядов и токов. Из системы уравнений Максвелла получается волновое уравнение в общем виде. Анализ этого уравнения проводится для плоской волны, выводятся ее основные свойства – ее поперечность, ортогональность векторов электрического и магнитного поля, равенство плотностей энергии этих полей. Определяется возможность такой волны иметь две независимые поперечные компоненты – т.е. различные поляризации.

Вторая часть лекции посвящена рассмотрению плоской монохроматической волны. Показывается, что в общем случае волна имеет эллиптическую поляризацию, описывается, как такая поляризация может быть представлена как сумма двух линейных или двух круговых поляризаций. Приводится структура такой волны в пространстве и ее динамика во времени. Описывается стоячая волна как сумма двух встречных бегущих волн, определяется отличие ее динамики от бегущей волны.

Модуль «Оптика»

Первая часть лекции №6, начинающей курс оптики, посвящена изучению законов отражения и преломления света от плоской границы раздела двух сред. Из анализа граничных условий доказывается равенство частот падающей, отраженной и преломленной волн, равенство углов падения и отражения, закон Снеллиуса. Выводится связь между амплитудами этих волн – формулы Френеля. Рассматриваются два особых случая – эффект полного внутреннего отражения, происходящий при падении света под углом, большим критического, и исчезновение одной из поляризаций отраженной волны, что случается при падении под углом Брюстера. Приводится связь между фазами этих волн. Вторая часть лекции посвящена рассмотрению геометрической оптики. Выводятся основные уравнения геометрической оптики как предел уравнений волновой оптики, обсуждаются физический смысл условий этого приближения. Вводятся понятия луч света, волновой фронт. Показываются основы построения изображений в оптических приборах. Приводится принцип Ферма, описывается, как с его помощью объясняется ход лучей света в линзе.

Лекция №7 посвящена изучению явления интерференции. Это изучение начинается с описания свойств реальных источников света и фотометрических устройств, вводится понятие времени разрешения прибора и интенсивности света. Исследуется распределение интенсивности света на экране от двух точечных синфазных источников, определяется зависимость интерференционного члена от поляризации волн и от разности фаз волн от этих источников в точке на экране, выводится зависимость разности фаз от разности оптических длин. Показывается, что два независимых источника не

15

дают устойчивую интерференционную картину. Вводится понятие когерентности, определяются два основных метода получения когерентных волн – метод деления волнового фронта и метод деления амплитуды волны. Обсуждаются понятия временной и пространственной когерентности, их влияния на параметр видности картины.

Вначале лекции №8 рассматривается общая постановка задачи дифракции, отмечается ее сложность. Приводится принцип Гюйгенса– Френеля, на основе этого принципа строится интеграл Кирхгофа. Рассматриваются математические аспекты сложения многих колебаний с отличающимися фазами, вводится понятие зон Френеля. Интеграл Кирхгофа рассматривается в параксиальном приближении, для дифракции Френеля. Проводится дальнейшее упрощение этого интеграла для дифракции Фраунгофера. Сравниваются основные свойства дифракционных картин геометрической оптики, дифракций Френеля и Фраунгофера, определяются области этих дифракций. В качестве примера рассматривается дифракция от бесконечно длинной щели.

Влекции №9 рассматривается дисперсия света в среде. Приводятся основные виды дисперсии, записывается волновое уравнение в диспергирующей среде. Строится электронная теория дисперсии Лоренца, определяется комплексный показатель диэлектрической проницаемости. Анализ полученных выражений проводится как в случае разреженных сред, где определяются области нормальной и аномальной дисперсии, так и в случае плотных сред, для которых записывается формула Лоренц-Лорентца. Во второй части лекции исследуется влияние дисперсии на распространение

всреде волнового пакета. Записывается дисперсионное уравнение, вводятся понятия фазовой и групповой скорости, обсуждается их физический смысл, отношение их величин. Показывается, что дисперсия определяется второй производной частоты по волновому числу.

Лекция №10 начинается с рассмотрения спектрометрии, обсуждения решаемых ею задач из области физики и техники, основных требований к приборам для измерения спектра. Приводится основная схема приборов с пространственным разделением волн разной частоты. В лекции подробно рассматриваются два диспергирующих элемента – спектральная призма и дисперсионная решетка. Вводится критерий Релея. Для каждого рассматриваемого элемента определяется угловая дисперсия и разрешающая сила. Рассматриваются следующие типы дифракционных решеток: работающие на просвет, на отражение, профилированные.

Модуль «Квантовая физика»

Модуль “Квантовая физика” начинается с лекции №11, начало которой посвящено кризису классической физики. Рассматривается проблема получения спектра излучения абсолютно черного тела, ультрафиолетовая катастрофа. Приводится формула Планка, аргументы, которые он использовал при ее выводе – допущение деления энергии осциллятора на

16

точное число порций (квантов). Разбирается явление фотоэффекта, записываются основные экспериментально полученные законы фотоэффекта. Формулируется квантовая теория Эйнштейна, объясняющая эти законы, определяется связь энергии квантов света с красной границей фотоэффекта. Во второй части лекции рассматривается планетарная модель атомов, показывается ее несовместимость с классической электродинамикой. Формулируются постулаты Бора, правила квантования для модели атома Бора.

В лекции №12 постулируется корпускулярно-волновой дуализм частиц, приводятся свидетельствующие о волновых свойствах частиц опыты. Описывается гипотеза де Бройля, вводящая волновую функцию для описания объектов микромира. Выводится основное уравнение квантовой механики – уравнение Шредингера как для стационарных состояний, так и зависящее от времени. Раскрывается физический смысл волновой функции. Рассматривается принцип неопределенности Гейзенберга, уточняется понятие одновременно наблюдаемых величин.

Лекция № 13 посвящена получению некоторых частных решений уравнения Шредингера, а именно рассмотрению прохождения частицы над потенциальным барьером и отражению от него, рассмотрению динамики частицы в бесконечно глубокой потенциальной яме. Для последнего случая получен дискретный энергетический спектр, делается вывод о том, что подобный спектр характерен для любой ограниченной в пространстве частицы. Вторая часть лекции посвящена рассмотрению квантового линейного осциллятора. Выводятся уровни энергии и волновые функции стационарных состояний в нем. Анализируется предельный переход к классической механике. Рассказывается о правилах отбора гармонического осциллятора.

Первая часть лекции №14 посвящена рассмотрению операторов в квантовой механике, обсуждению их свойств, их связи с наблюдаемыми физическими величинами. Подробно рассматривается оператор момента импульса, показывается, что разные его проекции не коммутируют между собой, обсуждается связь этого факта с принципом неопределенности. Показывается, операторы каких связанных с моментом импульса величин между собой коммутируют, показывается связь между ними. Во второй части лекции рассматривается связь между моментом импульса и магнитными моментом системы, вводится гиромагнитное отношение. Описывается постановка опыта Штерна и Герлаха, обсуждаются его результаты. Дается определение спина частиц, приводятся значения спина для разных типов элементарных частиц. Описываются свойства волновой функции системы тождественных частиц в зависимости от их спина, рассказывается о статистике Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака, формулируется принцип Паули.

Лекции №15 и №16 посвящены атомной физике. Рассматривается движение одного электрона в центральном поле массивного ядра. Вводятся

17

магнитное, орбитальное и главное квантовые числа, показывается вырождение стационарных состояний по энергии. Описываются эффекты, частично снимающие это вырождение – Штарка и Зеемана. Рассказывается о сериях в спектре атома водорода. В дальнейшем рассматривается атом гелия, описывается подход к расчету такой системы, рассматривается расщепление уровней энергии в зависимости от величины спина системы. Рассматривается заполнение электронной оболочки многозарядных атомов в зависимости от их положения в таблице Менделеева.

Практические (семинарские) занятия – 64 часа (из учебного плана)

Самостоятельная работа – 50 часов (из учебного плана). Самостоятельная работа студентов предусматривает:

19

5. Образовательные технологии

При изучении курса «Физика 2» используется традиционная система обучения, включающая лекции и практические занятия (семинары), а также тьюториал, предназначенный для индивидуальной и групповой работы преподавателя со студентами, для разбора и приема месячных задания. При изложении материала используется мультимедийная техника, для лучшего понимания материала в отдельных лекциях демострируются физические демонстрации.

При изложении лекций указываются физические явления и законы, которые используются в современных информационных технологиях. Это пробуждает интерес к физике, а также даёт современные представления об окружающем нас мире. Некоторые из затрагиваемых вопросов не входят в обязательную программу и не выносятся на экзамен, однако их добавление очень существенно для расширения кругозора и поддержания интереса к изучаемому предмету. Так при изложении материала лекций приводятся примеры из инженерных проблем информационных технологий, работы компьютерного и периферийного оборудования, где их разработка и грамотная эксплуатация требует знания соответствующих физических законов. Это создает соответствующий настрой и пробуждает интерес к физике.

Семинарские занятия проводятся в интерактивной форме. На семинарах обсуждаются идеи и способы решения задач, рекомендованных для семинарских занятий задач. Автор наиболее удачного решения рассказывает его у доски. Существенным элементом образовательных технологий является не только умение студента найти правильное решение задачи, но и способность доходчиво донести его до всей аудитории. Умение ответить на вопросы сокурсников и преподавателя развивает коммуникативные навыки, которые будут необходимы в дальнейшей профессиональной деятельности студента.

Важнейшим элементом технологии является самостоятельное решение студентами и сдача месячных заданий. Каждый студент должен самостоятельно решить и сдать преподавателю два месячных задания по 6-8 задач в каждом. Задания сдаются в форме беседы с преподавателем в специально отведенное время. Это же время используется для индивидуальных консультаций.

Таким образом, лекции, семинары и задания по тьюториалу способствуют активному усвоению материала, и позволяют студенту научиться использовать свои знания для решения задач.

Оценка на заключительном устном экзамене выставляется с учетом предшествующих оценок, отражающих знание теории и умение решать задачи: 1) оценка, преподавателя за работу на семинарах и своевременную сдачу месячных заданий, 2) оценок по двум промежуточным контрольным работам. Перед устным экзаменом лектор выставляет для каждого студента диапазон итоговых оценок, которые экзаменатор может поставить без

20