2. Содержание обучения

Раздел курса общей физики «Основы механики, молекулярной физики и термодинамики» изучается студентами направлений 140100 «Теплоэнергетика»; 140200 «Электроэнергетика»; 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»; 190500 «Эксплуатация транспортных средств» во втором семестре 1-го курса. Студенты всех названных направлений формируют единый лекционный поток, им выделяется, согласно учебному плану, одинаковое число часов на лекции (36 часов), практические (18 часов) и лабораторные (18 часов) занятия. Вместе с тем, содержание курса, представленное в виде перечня разделов, внесённое в Государственные образовательные стандарты (ГОС) второго поколения по указанному разделу физики, заметно отличается.

Так для направления 140100 (Теплоэнергетика) в ГОСе указано лишь общее название изучаемых разделов, без какой-либо детализации: физические основы механики, молекулярная физика и термодинамика.

Для направления 140200 (Электроэнергетика) в ГОСе написано значительно больше, а именно. Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, основы релятивистской механики, принцип относительности в механике, кинематика и динамика твердого тела, жидкости и газов; статистическая физика и термодинамика: три начала термодинамики, термодинамические функции состояния, фазовые равновесия и фазовые превращения, элементы неравновесной термодинамики.

В ГОСе для направления 190601 (Автомобили и автомобильное хозяйство) написано следующее. Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, основы релятивистской механики и принцип относительности, кинематика и динамика твердого тела, жидкости и газов; молекулярная физика и термодинамика: законы идеальных газов, три начала термодинамики, кинетическая теория газов, термодинамические функции состояния, фазовые равновесия и фазовые переходы, элементы неравновесной термодинамики.

Для направления 190500 «Эксплуатация транспортных средств» в ГОСе указаны следующие темы курса физики. Физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, основы релятивистской механики и принцип относительности, кинематика и динамика твердого тела, жидкости и газов. Молекулярная физика и термодинамика: законы идеальных газов; три начала термодинамики, кинетическая теория газов; термодинамические функции состояния, фазовые равновесия и фазовые переходы, элементы неравновесной термодинамики, классическая и квантовая статистики, кинетические явления, конденсированное состояние; реальные газы и пары; жидкости; твердые тела.

Из приведённых текстов видно, что ГОС по направлению «Теплоэнергетика» предоставляет полное право преподавателю физики, опираясь на своё понимание предмета, отбирать содержание обучения, в то время как более подробное перечисление тем раздела в ГОСе направлений «Автомобили и автомобильное хозяйство» и «Электроэнергетика», казалось бы, направляет преподавателя на конкретный отбор содержания обучения, хотя, в сущности, ничего не проясняет. Например, фраза «основы релятивистской механики» мало говорит о предполагаемом содержании обучения. Из неё не понятно, например, следует ли вводить понятие релятивистской массы или инвариантность интервала между событиями или можно обойтись без них. Из сказанного следует, что содержание обучения по физике в рассматриваемых ГОСах представлено столь неопределённо, что только квалификация преподавателя даёт возможность сформировать адекватную рабочую программ и соответствующие измерительные материалы в виде тестов. Но утверждать, как это делают разработчики ФЭПО, что тесты проверяют все (или не все) дидактические единицы, представленные в ГОСах, это абсолютно необоснованное утверждение. Мне представляется, что было бы лучше, если бы составители контрольных материалов для ФЭПО откровенно признались, что их контрольно-измерительные материалы основаны на экспертных оценках, в связи с недостаточной проработанностью ГОСов второго поколения с точки зрения содержания обучения курса общей физики.²

В связи с тем, что студенты всех вышеназванных направлений образуют единый лекционный поток, и количество аудиторных часов, отводимых на изучение курса общей физики во втором семестре, у них одно и то же, рабочая программа всех трёх направлений по изучаемым разделам – одна и та же. Содержание изучаемых во втором семестре разделов рабочей программы представлено ниже.

Основы механики (18 часов)

Элементы кинематики. Материальная точка (МТ). Тело и система отсчета (СО). Траектория МТ. Перемещение. Длина пути. Скорость. Ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорение. Угловая скорость и угловое ускорение. Связь линейных и угловых кинематических параметров.

Законы Ньютона. 1-ый закон. Инерция. Инерциальные и неинерциальные системы отсчёта (СО). Импульс тела. 2-ой закон. 3-й закон. Пределы применимости законов Ньютона. Импульс механической системы. Механическая система. Замкнутая система. Вывод закона сохранения импульса замкнутой системы тел на основании 2-го закон Ньютона.

Работа и энергия. Элементарная работа силы по перемещению тела. Работа силы на участке траектории. Мощность. Консервативные и неконсервативные силы. Кинетическая, потенциальная, полная механическая энергия системы тел. Связь между потенциальной энергией и силой. Потенциальная энергия, напряженность поля тяготения. Зависимость напряженности поля тяготения от высоты. Потенциальная энергия упруго сжатой пружины. Закон сохранения механической энергии и теорема об изменении полной механической энергии системы. Законы сохранения и симметрия пространства. Абсолютно упругий и неупругий удар.

Силы инерции. Силы инерции, действующие на тело, находящееся в неинерциальной СО, которая движется прямолинейно с ускорением. Силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вращающейся СО. Силы инерции, действующие на тело, движущееся во вращающейся СО. Силы Кориолиса. Второй закон Ньютона в неинерциальных СО.

Абсолютно твердое тело (АТТ) в механике. Момент инерции материальной точки, системы материальных точек с дискретным и непрерывным распределением массы относительно оси вращения. Момент инерции сплошного, полого цилиндров, прямого тонкого длинного стержня. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Кинетическая энергия плоского движения. Момент силы относительно полюса, оси. Работа при вращательном движении. Основное уравнение динамики вращательного движения АТТ. Момент импульса и закон его сохранения. Момент импульса материальной точки относительно полюса, неподвижной оси. Момент импульса твердого тела относительно оси. Закон сохранения момента импульса. Аналогия между величинами и законами, описывающими вращательное и поступательное движение. Мгновенные оси. Свободные оси. Гироскоп.

Постулаты специальной теории относительности (СТО). «Светоносный эфир» и попытки его обнаружения (опыт Майкельсона-Морли). Преобразования координат и времени Галилея и Лоренца. Правило сложения скоростей в релятивистской механике. Следствия из преобразований Лоренца. Сокращение длин, замедление хода движущихся часов. Инвариантность интервала между событиями. Релятивистская динамика. Релятивистский импульс (РИ). Уравнение движения релятивистской частицы. Закон сохранения РИ. Релятивистское выражение для энергии. Взаимосвязь массы и энергии. Полная, кинетическая и энергия покоя. Связь энергии и РИ. Значение СТО и представление об общей теории относительности.

Основы молекулярной физики и термодинамики (18 часов)

Основы молекулярной физики. Динамический и статистический метод. Вывод основного уравнения МКТ идеальных газов. Молекулярно-кинетическое толкование температуры. Среднеквадратичная скорость. Опытное обоснование МКТ: опыты Броуна, Штерна, Перрена.

Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям и энергиям. Функция распределения Максвелла по скоростям. Наиболее вероятная скорость. Функция распределения Максвелла по энергиям. Вычисление средних величин с использованием функции распределения.

Барометрическая формула. Распределение Больцмана.

Явления переноса в термодинамических неравновесных средах. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул. Вакуумные условия. Теплопроводность. Уравнение Фурье. Коэффициент теплопроводности. Диффузия. Закон Фика. Коэффициент диффузии. Внутреннее трение (вязкость). Закон Ньютона. Динамическая вязкость.

Введение в термодинамику. Преимущества и недостатки термодинамического подхода. Термодинамическая система, процесс, параметры. Число степеней свободы. Закон Больцмана о равнораспределении энергии по степеням свободы молекулы. Первое начало термодинамики. Работа газа при изменении объема.

Теплоемкость. Теплоемкость удельная и молярная. Вывод уравнения Майера. Коэффициент Пуассона. Экспериментальная зависимость теплоемкости газа от температуры.

Применение первого начала термодинамики к расчету изопроцессов. Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатический процессы.

Круговые процессы. Прямой и обратный цикл. Тепловой двигатель и холодильная машина. Термический коэффициент полезного действия. Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно.

Второе начало термодинамики. Формулировка Клаузиуса. Вечный двигатель второго рода. Формулировка Кельвина-Планка. Энтропия. Приведенное количество теплоты. Термодинамическое определение энтропии. Изменение энтропии при изопроцессах. Принцип возрастания энтропии. Тепловая смерть Вселенной. Статистическое толкование энтропии. Микро- и макросостояние системы. Термодинамическая вероятность. Формула Больцмана. Изменение энтропии открытых систем. Теорема Нернста.

Реальные газы. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнения Ван-дер-Ваальса. Анализ изотерм Ван-дер-Ваальса. Сжижение газов.

Фазовые переходы. Фазовые переходы 1 и 2-го рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Диаграмма состояний. Тройная точка.

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение, смачивание. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Капиллярные явления.

Твердые тела. Представление о кристаллических решетках и дефектах. Теплоемкость твердых тел.

Число лекционных часов, отводимых на тему «Основы механики», равно 18, причём, 6 из них используется на тему «Основы СТО». Количество лекционных часов, посвящённых теме «Основы молекулярной физики и термодинамики», равно 18.

В связи с тем, что обучение во втором семестре заканчивается зачётом, то целесообразным представляется провести зачёт в форме теста. Автор предлагаемых тестовых заданий исходил из своего понимания того, какие знания важно обязательно проверить при тестировании. Эти знания, по его мнению, являются базовыми, без них будет затруднено дальнейшее изучение физики в высшей школе.