Тольяттинский государственный университет Физико-технический институт

Кафедра «Общая и теоретическая физика»

С.Н. Потемкина, С.В. Талалов

ПОСОБИЕ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ПО КУРСУ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

организация работы при модульном изучении курса «Общая физика» в 3 семестре

Тольятти 2007

УДК (378.147: 530.1) (075.8) ББК 22.3 П 64

Потемкина С.Н., Талалов С.В. Пособие для преподавателя по организации работы при модульном изучении курса общей физики в третьем семестре, Тольятти: ТГУ, 2007.

Данное пособие предназначено для организации работы преподавателя при модульной организации изучения курса «Общая физика». В пособии указаны цели и задачи дисциплины, приведена рабочая программа изучаемого курса, разбитая по модулям и семестрам. Для различных видов деятельности (лекции, практические занятия, видеосеминары, подготовка к межмодульному и итоговому тестированию) приведена тематика занятий и имеющиеся в наличии методические и информационные материалы. Приведены план-схема работы и график распределения видов и объёмов работы в каждом модуле рабочего семестра. В графике работы прописаны также формы контроля и время их проведения.

Предлагается также примерный список литературы, рекомендуемый для использования при изучении курса физики для инженерных специальностей в нашем ВУЗе. Кроме того, приводится ссылка на web-сайт, которым можно пользоваться в локальной сети ВУЗа. В пособии указаны критерии оценки работы студента в модуле и семестре, а также указания по их применению.

УДК (378.147: 530.1)(075.8) ББК 22.3

@ Тольяттинский государственный университет, 2007.

2

3

I. Пояснительная записка к программе курса

Предлагаемая программа по дисциплине "Физика" предназначена для инженернотехнических специальностей вузов и составлена с учетом требований Государственных образовательных стандартов по соответствующим направлениям подготовки. Важная особенность программы – отсутствие акцента на будущей профессионализации выпускника. В структуре подготовки инженера физика рассматривается нами как важнейшая общеобразовательная дисциплина, на основе которой и будет далее строиться его специализация. Программа включает в себя панораму универсальных методов, законов и моделей, демонстрирует специфику рационального метода познания окружающего мира, сосредотачивает усилия на формировании у студентов общего физического мировоззрения и развитии физического мышления. Мы придерживаемся устоявшейся точки зрения, согласно которой дисциплина "Физика" должна представлять собой целостный и фундаментальный курс, единый в своих частях и демонстрирующий роль этой науки как основы всего современного естествознания. Распространенное расчленение физики на классическую и современную представляется в настоящее время устаревшим.

В основании современной естественнонаучной картины мира лежат физические принципы и концепции; в этой связи роль физики как основы всего естествознания трудно переоценить. С другой стороны, физика является теоретической базой, без которой невозможна успешная деятельность выпускника вуза в области знаний "Технические науки". Данная программа отражает современное состояние физики и ее приложений. В ней естественным образом сочетаются макро- и микроскопические подходы. В ее разделах вскрыты внутренние логические связи. Порядок расположения материала соответствует современной структуре физики как науки и отражает мировой педагогический опыт. Программа носит комплексный характер: в ней приведен минимальный перечень рекомендуемых теоретических семинаров, лабораторных работ, практических занятий, лекционных и компьютерных демонстраций, а также видеозадач.

Приоритетами курса являются:

•изучение основных физических явлений; овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями классической и современной физики, а также методами физического исследования;

•овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики;

•ознакомление с лабораторным оборудованием, формирование навыков проведения физического эксперимента, умения выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах будущей деятельности.

Одним из принципиальных отличий предлагаемой программы от традиционных курсов является новый подход к организации аудиторной и самостоятельной работы студентов. Его основу составляет аудиторная работа студентов над теоретическим курсом под руководством преподавателя, осуществляемая в рамках обзорных лекций и видеосеминаров. Кроме того, в самостоятельную работу студентов входит подготовка к практическим и лабораторным занятиям, а также сам лабораторный практикум, выполняемый в учебных физических лабораториях, оснащенных (наряду с традиционным лабораторным оборудованием) компьютерами.

Для поддержания интереса студентов к физике используется богатый и разнообразный материал, в том числе видео - и лекционные демонстрации, другие аудиовизуальные средства (физические видеомодели и видеофрагменты), а также видеозадачи, представляющие из себя видеозаписи реальных физических экспериментов. В программе курса находят отражение основные этапы сложного исторического развития физики как научной дисциплины. Это означает, что все атрибуты процесса научного познания (анализ и синтез; абстрагирование, идеализация, обобщения и ограничения; аналогия, моделирование, формализация; историче-

4

ское и логическое; индукция и дедукция) используются преподавателями в той или иной мере. Данная программа разработана на основе «Примерной программы дисциплины «Физика» для направления 550000 – технические науки», принятой Министерством образования Российской Федерации в 2000г.

II. Цели и задачи курса

Курс физики совместно с курсами математики и теоретической механики составляет основу теоретической подготовки инженеров и играет роль фундаментальной базы, без которой невозможна успешная деятельность инженера.

Основные задачи данного курса физики:

1.создание основ достаточно широкой теоретической подготовки в области физики, позволяющей будущим инженерам ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающей им возможность использования новых физических принципов в тех областях техники, в которых они будут специализироваться;

2.формирование основ научного мышления, правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов, теорий и умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или научных методов исследования;

3.усвоение основных физических явлений и законов классической и квантовой физики, электричества и магнетизма, методов физического мышления;

4.выработка приёмов владения основными методами решения и навыков их применения к решению конкретных физических задач из разных областей физики, помогающих в дальнейшем решать инженерные задачи;

5.ознакомление с современным лабораторным оборудованием и выработка начальных навыков проведения экспериментальных исследований различных физических явлений и оценки погрешности измерений.

Для успешного усвоения курса физики необходимо знать: основные понятия аналитической геометрии, векторной алгебры, а так же начала дифференциального и интегрального исчисления.

После прохождения курса специалист должен:

знать основные законы физики и их следствия в объёме излагаемого курса;

уметь применять изученные законы физики к анализу и решению конкретных инженерных задач.

III. Рабочая программа курса

Третий семестр Модуль 7

Физика колебаний и волн.

Колебательные процессы. Понятие о колебательных процессах. Единый подход к колебаниям различной физической природы. Кинематика колебательного движения. Гармонические колебания и их характеристики. Комплексная форма представления гармонических колебаний. Метод векторных диаграмм. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Пружинный, математический, физический маятники, колебательный контур без активного сопротивления. Энергия гармонических колебаний. Затухающие колебания. Дифферен-

5

циальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Коэффициент затухания, логарифмический декремент, добротность.

Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс. Резонанс в колебательном контуре. Сложение гармонических колебаний. Биения.

Волновые процессы.

Понятие о волновых процессах. Единый подход к волнам различной физической природы. Характеристики волнового движения. Продольные и поперечные волны. Уравнение волны. Волновое уравнение (дифференциальное). Плоские, цилиндрические и сферические волны. Монохроматические волны. Плоские электромагнитные волны (ЭМВ) и их свойства.

Стоячие волны Энергия волны, поток энергии, вектор Пойнтинга. Стоячая ЭМВ. Резонатор. Излучение ЭМВ. Давление и импульс ЭМВ. Немонохроматические волны. Волновой пакет. Групповая скорость.

Модуль 8 Оптика.

Свет как частный случай ЭМВ. Законы геометрической оптики. Поляризация при отражении света. Интерференция. Разность хода и порядок интерференции. Когерентность. Методы наблюдения интерференции. Интерференция в тонких пленках. Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Метод зон Френеля. Дифракция света на одной щели. Дифракционная решетка. Разрешающая способность. Голография. Дифракция волн на пространственной решетке. Условие Вульфа-Брэгга. Поляризация ЭМВ. Законы Малюса и Брюстера.

Элементы квантовой физики.

Противоречия классической физики. Фотоэффект, излучение АЧТ, стабильность атомов. Атомные спектры. Правило Ритца.

Основные положения квантовой физики. Квантование энергии. Корпускулярно-

волновой дуализм. Экспериментальные проявления корпускулярно-волнового дуализма. Фотоны и волны Де Бройля. Квазичастицы. Соотношение неопределенностей как следствие корпускулярноволнового дуализма. Объяснение стабильности атомов.

Излучение атомов. Тепловое излучение. Характеристики теплового излучения. Равновесное излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгоффа. Степени свободы электромагнитного излучения. Формула Рэлея-Джинса. Квантовая гипотеза и формула Планка. Свойства равновесного излучения. Формула Стефана-Больцмана, закон смещения Вина. Оптическая пирометрия. Лазер. Виды и типы лазеров. Нерезонансное взаимодействие фотонов с веществом. Фотоэффект, эффект Комптона, тормозное излучение.

Модуль 9

Теория атома водорода по Бору. Модели атома Томсона и Резерфорда. Линейчатый спектр атома водорода. Постулаты Бора.

Элементы квантовой механики.

Гипотеза де Бройля. Свойства микрочастиц. Соотношение неопределенностей. Состояние частицы в квантовой механике. Волновая функция и ее статистический смысл. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера. Стационарное одномерное уравнение Шредингера. Собственные функции и собственные значения. Примеры решения уравнения Шредингера: свободная частица, частица в одномерной потенциальной яме, прохождение под потенциальным барьером, частица в центральном поле (атом водорода).

Современная физическая картина мира.

6

Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомное ядро. Кварки. Элементарные частицы. Взаимопревращения частиц. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

IV. План-схема работы студента в модуле

План работы студента на каждой неделе учебной модуля в семестре регламентирован и представлен на план-схеме-1, где введены следующие обозначения:

Н1 – Н6 - порядковый номер недели учебного модуля; Л1 – Л4 порядковый номер лекции в учебном модуле;

Пр.з.1 - Пр.з.4 порядковый номер практического занятия в учебном модуле; ВС - видеосеминар; ТТ - теоретический тест;

АКР - автоматизированная контрольная работа; ЛР - лабораторные работы

План-схема 1 понедельной аудиторной работы студента в модуле

Изучение курса физики в ТГУ составляет три семестра. Каждый семестр разбит на три модуля, а каждый модуль включает в себя следующие виды работ:

1.лекции и самостоятельная проработка лекционного материала для подготовки к любым видам занятий;

2.видеосеминары;

3.лабораторные работы;

4.практические занятия – аудиторные;

5.ИДЗ (индивидуальные домашние задания по решению задач);

6.автоматизированные контрольные работы (АКР);

7.- теоретическое тестирование.

Вкаждом модуле для работы студента расписана понедельная последовательность различных аудиторных видов работы и их объём (см. план-схему 1). Для организации индиви-

7

дуальной самостоятельной домашней работы студента мы используем систему индивидуальных домашних заданий и систему тренингов. Нашей рабочей группой разработаны тесты для индивидуального тренинга студентов по каждому из девяти модулей курса физика и сданы в Центр тестирования нашего ВУЗа (ТГУ). Кроме этого студенту, для получения допуска к тестированию по результатам работы в модуле, необходимо в учебной физической лаборатории (УФЛ №1- УФЛ №3) выполнить и защитить три лабораторных работы по своему индивидуально выбранному маршруту (самостоятельная аудиторная работа студента под руководством академического консультанта).

Для повторения и закрепления изученного теоретического и практического материала на пятой неделе каждого модуля проводится видеосеминар. Использование виртуальных физических моделей и видеозадач позволяет сделать повторение и закрепление материала курса физики более наглядным. А коллективное обсуждение и выработка алгоритма решения той или иной задачи с использованием средств мультимедиа позволяют вести эту беседу в интерактивном режиме.

Каждый модуль завершается двойной формой контроля знаний студентов. Работу студента с теоретическим материалом контролирует теоретический тест - ТТ, а состояние навыков и приобретенных умений (компетенций) применения вновь изученных методов расчета физических характеристик к решению физических задач – автоматизированная контрольная работа - АКР.

Теоретический внутри-модульный тест состоит из 10 заданий, из которых на определения физических величин - два, на проверку единиц измерений - два, на формулы связидва, на графические задачи или задачи-рисунки - два, на формулировки основных законов и теорем - два.

АКР по модулю состоит из 6 задач, из которых три задачи сложностью по 6 баллов, две задачи сложностью по 10 баллов, и одна задача сложностью 12 баллов.

Итогом работы в модуле являются: три лабораторные работы, выполненные по индивидуальному маршруту, и зачтённые; теоретический тест по модулю (максимальный балл за ТТ -50); внутримодульная АКР( максимальный балл за АКР – 50). Таким образом максимальный рейтинговый балл за модуль равен 100 баллам.

8