Физика (электростатика) / Рабочая программа

длин и промежутков времени, интервал между двумя событиями и его инвариантность. Релятивистский закон сложения скоростей.

Динамика материальной точки. Релятивистский импульс. Релятивистское уравнение динамики материальной точки. Кинетическая энергия. Закон взаимосвязи массы и энергии. Вектор энергии-импульса.

3. Основы молекулярной физики и термодинамики

Предмет термодинамики и статистической физики. Постулаты молекулярнокинетической теории. Взаимодействие молекул. Количество вещества. Молярная масса.

Термодинамическая система (макросистема). Микропараметры и макропараметры. Статистический и термодинамический методы исследования макросистем. Стохастическая система. Микросостояние и макросостояние термодинамической системы. Равновесное состояние. Термодинамический процесс. Равновесный, квазистатический процесс. Уравнение состояния.

Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Уравнение Менделее- ва-Клапейрона. Газовые законы. Закон Дальтона. Основное уравнение МКТ идеального газа для давления, энергии. Молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры. Энергетическая температура. Среднеквадратичная скорость молекулы идеального газа.

Внутренняя энергия термодинамической системы. Внутренняя энергия идеального газа. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Работа газа. Количество теплоты. Теплоёмкость системы, удельная и молярная теплоёмкость вещества. I начало термодинамики. Адиабатный процесс идеального газа. Уравнение Пуассона. Политропный процесс идеального газа (общий случай). Зависимость теплоёмкости газа от температуры. Ограниченность классической теории теплоёмкости газов.

Тепловой двигатель, его принципиальные части. КПД теплового двигателя. Холодильная машина. Обратимый термодинамический процесс. Цикл Карно. Теоремы Карно.

Неравенство Клаузиуса. Приведённая теплота. Энтропия как функция состояния термодинамической системы. Фазовое пространство в классической физике. Фазовая ячейка. Изобразительная точка. Термодинамическая вероятность (статистический вес). Статистический смысл энтропии. II начало термодинамики. Изменение энтропии в термодинамических процессах. III начало термодинамики.

Функция распределения, её свойства. Среднее, среднеквадратичное, наивероятнейшее значение случайной величины. Распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла) и по энергиям. Наивероятнейшая, средняя и среднеквадратичная скорости молекул идеального газа. Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Распределение Максвелла-Больцмана.

Модель реального газа Ван-дер-Ваальса. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия реального газа. Изотермы реального газа – расчётные и экспериментальные. Критическое состояние. Диаграммы состояния вещества. Тройная точка. Фазовые переходы I и II рода. Теплота и удельная теплота фазового перехода.

Длина свободного пробега молекулы идеального газа. Неравновесные процессы. Кинетические явления (явления переноса): диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Эмпирические уравнения явлений переноса: закон Фика, закон Фурье, закон Ньютона для внутреннего трения. Коэффициенты диффузии, теплопроводности, вязкости, их выражения для идеального газа. Молекулярно-кинетическая теория явлений переноса.

2 семестр

4. Электростатика

Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Электромагнитное поле. Силовые характеристики электромагнитного поля: основные – напряжённость электрического поля, индукция магнитного поля; вспомогательные – электрическое смещение, напряжённость магнитного поля. Сила Лоренца. Принцип суперпозиции полей.

Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Материальные уравнения.

Электростатическое поле в вакууме. Закон Кулона. Теорема Остроградского-Гаусса для напряжённости электрического поля. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле. Потенциал. Интегральная и дифференциальная связь напряжённости и потенциала электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.

Проводники и диэлектрики. Свободные и связанные заряды. Электрический диполь. Дипольный момент. Сила и момент сил, с которыми электростатическое поле действует на диполь. Энергия диполя в электрическом поле.

Электрическое поле в диэлектриках. Полярные и неполярные диэлектрики, электронная и ориентационная поляризация. Поляризованность. Поляризуемость молекулы. Диэлектрическая восприимчивость и относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Связь поляризованности с поверхностными и объёмными связанными зарядами. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в диэлектриках: для поляризованности, напряжённости электрического поля и электрического смещения. Связь напряжённости электрического поля и электрического смещения в изотропном диэлектрике. Теорема Остроградского-Гаусса в дифференциальной форме. Условия на границе раздела двух диэлектриков.

Свойства электростатического поля в проводниках. Электрическая ёмкость уединённого проводника. Взаимная ёмкость двух проводников. Конденсатор. Ёмкость конденсатора. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов.

Энергия заряженного конденсатора. Объёмная плотность энергии электрического поля.

5. Электромагнетизм

Электрический ток. Сила и плотность тока. Сторонние силы. ЭДС. Закон Ома в дифференциальной форме, обобщённый закон Ома для участка цепи. Удельная электропроводность, удельное сопротивление вещества. Электрическое сопротивление. Последовательное и параллельное соединение проводников. Правила Кирхгофа. Работа и удельная мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной форме.

Постоянное магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции магнитной индукции. Магнитный поток. Теорема Остроградского-Гаусса для магнитной индукции. Векторный потенциал.

Действие магнитного поле на заряженные частицы и проводники с током. Закон Ампера. Момент сил Ампера. Магнитный момент. Энергия рамки (замкнутого проводника) с током в магнитном поле. Работа по повороту рамки с током, перемещению линейного проводника и контура с током в магнитном поле.

Электромагнитная индукция. Закон Фарадея-Максвелла. Правило Ленца. Вихревые токи. Самоиндукция. Индуктивность. Взаимная индукция. Коэффициент взаимной индукции.

Энергия замкнутого проводника с током. Энергия взаимодействия проводников с током. Объёмная плотность энергии электромагнитного поля.

Магнитное поле в веществе. Макротоки и микротоки. Намагниченность. Теорема о циркуляции магнитного поля в веществе: намагниченности, магнитной индукции и напряжённости магнитного поля. Магнитная восприимчивость и относительная магнитная проницаемость вещества. Связь магнитной индукции и напряжённости магнитного поля в изотропном магнетике (неферромагнетике). Условия на границе раздела двух магнетиков.

Магнитный момент атома. Спин. Гиромагнитное отношение орбитальных и спиновых моментов. Классификация магнетиков: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики. Диамагнетизм. Ларморова прецессия. Парамагнетизм. Закон Кюри-Вейсса. Ферромагнетизм. Свойства ферромагнетиков: гистерезис, остаточное намагничивание, точка Кюри. Толкование свойств ферромагнетиков. Домены.

Колебания. Колебательная система. Свободные незатухающие, затухающие, вынужденные колебания. Дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний и его решение. Характеристики гармонических колебаний: амплитуда, циклическая частота, начальная фаза, период, частота. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний и его решение. Амплитуда, условный период затухающих колебаний. Переменный ток. Импеданс. Резонанс токов и напряжений.

Волны. Уравнение бегущей волны. Волновой фронт; плоская, сферическая волна Поперечные и продольные волны. Гармоническая волна и её характеристики: амплитуда, циклическая частота, частота, период, начальная фаза, скорость распространения, длина волны, волновое число (волновой вектор). Уравнение бегущей гармонической волны. Волновое уравнение, его общее решение.

Волновое уравнение для электромагнитной волны. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, в среде. Монохроматическая электромагнитная волна и её характеристики. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность электромагнитной волны. Шкала электромагнитных волн. Отражение и преломление электромагнитной волны на границе раздела диэлектриков. Абсолютный и относительный показатели преломления среды. Законы отражения и преломления. Формулы Френеля. Закон Брюстера.

6. Физические основы волновой оптики

Интерференция волн. Когерентные волны. Условия максимумов и минимумов при интерференции когерентных волн. Геометрическая и оптическая разность хода волн. Схема Юнга (разделение волнового фронта надвое). Интерференция в тонких плёнках: плоскопараллельная пластинка, тонкий клин, кольца Ньютона. Пространственная и временная когерентность. Время и длина когерентности. Критерий Рэлея.

Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция света на одной щели, дифракционной решётке, круглом отверстии. Разрешающая способность оптических приборов.

4.3. Темы практических занятий

1 семестр

Кинематика материальной точки и твёрдого тела (3 часа). Динамика материальной точки (3 часа).

Динамика твёрдого тела (4 часа).

Применение законов сохранения к задачам механики материальной точки и твёрдого тела (4 часа).

Контрольная работа «Механика» (2 часа). Уравнение состояния идеального газа (2 часа).

Молекулярно-кинетическая теория идеального газа (2 часа).

I начало термодинамики. Теплоёмкость идеального газа (4 часа). Тепловые машины и их КПД (3 часа).

Энтропия (1 час).

Контрольная работа «Молекулярная физика и термодинамика» (2 часа). Распределение Максвелла-Больцмана (2 часа).

Итоговое занятие (2 часа).

2 семестр

Закон Кулона. Расчёт напряжённости электростатического поля методом суперпозиции (2 часа).

Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме (2 часа). Потенциал. Методы расчёта потенциала (2 часа).

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле (4 часа). Электроёмкость. Конденсаторы (4 часа).

Контрольная работа «Электростатика» (2 часа). Энергия электрического поля (2 часа). Электрический ток (2 часа).

Расчёт индукции магнитного поля в вакууме (2 часа). Действие магнитного поля на ток и движущийся заряд (2 часа).

Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле (2 часа).

Электромагнитная индукция (2 часа). Контрольная работа «Магнетизм» (2 часа). Самоиндукция и взаимная индукция (3 часа). Энергия магнитного поля (1 час). Магнитное поле в веществе (1 час). Уравнения Максвелла (1 час).

Итоговое занятие (2 часа).

4.4. Темы лабораторных работ

1 семестр

1. Физические основы механики

№1. Погрешности при физических измерениях. Измерение объёма цилиндра (2 часа).

№2. Определение плотности вещества и моментов инерции цилиндра и кольца (2 часа).

№3. Изучение законов сохранения при соударении шаров (2 часа).

№4. Изучение закона сохранения импульса (2 часа).

№6. Определение средней силы сопротивления грунта и изучение неупругого соударения груза и сваи на модели копра (2 часа).

№7. Изучение динамики вращательного движения твёрдого тела и определение момента инерции маятника Обербека (2 часа).

№8. Изучение динамики плоского движения маятника Максвелла (2 часа).

№9. Определение момента инерции маховика (2 часа).

№10. Определение момента инерции трубы и изучение теоремы Штейнера (2 часа).

№10а. Измерение момента инерции тел методом вращательных колебаний (2 часа).

№11. Изучение динамики поступательного и вращательного движения с помощью прибора Атвуда (2 часа).

№12. Определение момента инерции плоского физического маятника (2 часа).

2. Основы молекулярной физики и термодинамики

№13. Определение удельной теплоты кристаллизации и изменения энтропии при охлаждении сплава олова (2 часа).

№14. Определение молярной массы воздуха (2 часа).

№15. Определение отношения теплоёмкостей Сp/CV газов (2 часа).

№16. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха (2 часа).

№17. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса (2 часа).

2 семестр

3. Электростатика

№1. Исследование электрического поля с помощью электролитической ванны (2 часа).

№2. Определение электрической ёмкости конденсатора баллистическим гальванометром (2 часа).

№3. Весы напряжения (2 часа).

№4. Определение ёмкости коаксиального кабеля и плоского конденсатора (2 часа).

№5. Изучение диэлектрических свойств жидкостей (2 часа).

№6. Определение диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика (2 часа)

№31. Исследование электрического поля с помощью электролитической ванны (2 часа).

4. Электромагнетизм

№10. Изучение электродвижущей силы методом компенсации (2 часа).

№12. Определение индукции магнитного поля измерительным генератором (2 часа).

№13. Измерение индуктивности системы катушек (2 часа).

№15. Измерение взаимной индуктивности (2 часа).

№17. Изучение кривой намагничивания железа по методу Столетова (2 часа).

№18. Ознакомление с осциллографом и изучение петли гистерезиса (2 часа).

№19. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона (2 часа).

№26. Изучение явления гистерезиса ферромагнетиков (2 часа).

№27. Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла (2 часа).

№28. Определение точки Кюри ферромагнетика (2 часа).

№32. Определение удельного заряда электрона (2 часа).

4.5. Темы рефератов

Рефераты учебным планом не предусмотрены.

4.6. Темы расчётных заданий

2 семестр

№1. Расчёт характеристик электростатического поля

№2. Расчёт индукции магнитного поля и ЭДС индукции

4.7. Темы курсовых проектов

Курсовые проекты учебным планом не предусмотрены.

4.8. Соответствие разделов дисциплины и формируемых в них компетенций

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

При преподавании дисциплины используются:

традиционные образовательные технологии в форме информационных лекций, практических занятий и лабораторных работ;

информационно-коммуникационные образовательные технологии в форме лекции-визуализации.

6.КОМПЕТЕНТНОСТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОСВОЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАЗОВАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ (ТЕКУЩИЙ КОНТРОЛЬ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНАЯ АТТЕСТАЦИЯ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ)

Для контроля результатов образования проводятся:

Тестирование:

1.Тест «Основные понятия механики»

2.Тест «Кинематика»

3.Тест «Динамика материальной точки»

4.Тест «Динамика вращательного движения»

5.Тест «Энергетические характеристики и законы сохранения»

6.Тест «Специальная теория относительности»

7.Тест «Постулаты МКТ, характеристики и методы исследования макросистем»

8.Тест «Идеальный газ»

9.Тест «I начало термодинамики»

10.Тест «Тепловые машины»

11.Тест «Энтропия»

12.Тест «Распределение Максвелла-Больцмана»

13.Тест «Реальный газ Ван-дер-Ваальса, фазовые переходы»

14.Тест «Явления переноса»

15.Тест «Уравнения Максвелла»

16.Тест «Электростатика»

17.Тест «Электрический ток»

18.Тест «Магнитное поле в вакууме»

19.Тест «Электромагнитная индукция, энергия магнитного поля»

20.Тест «Магнетики»

21.Тест «Колебания»

22.Тест «Волны»

23.Тест «Волновая оптика»

Контрольные работы:

1.Контрольная работа «Механика»