2. Содержание обучения

Раздел курса общей физики «Электростатика и постоянный электрический ток. Электромагнетизм» изучается студентами направлений 140100 «Теплоэнергетика»; 140200 «Электроэнергетика»; 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»; 190500 «Эксплуатация транспортных средств» в третьем семестре (на втором курсе). Студентам всех названных направлений выделяется, согласно учебному плану, одинаковое число часов на лекции (34 часа), практические (17 часов) и лабораторные (17 часов¹) занятия. Итоговой формой контроля является экзамен. Вместе с тем, содержание курса, представленное в виде перечня разделов, внесённое в Государственные образовательные стандарты (ГОС) второго поколения по указанному разделу физики, отличается.

Так для направления 140100 (Теплоэнергетика) в ГОСе указано лишь общее название изучаемых разделов, без какой-либо детализации, именно: «электричество и магнетизм».

Для направления 140200 (Электроэнергетика) в ГОСе написано больше: «электричество и магнетизм; электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе, уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме, материальные уравнения, квазистационарные токи, принцип относительности в электродинамике; явления сверхпроводимости, полупроводники».

В ГОСе для направления 190601 (Автомобили и автомобильное хозяйство) и 190500 («Эксплуатация транспортных средств») написано следующее: «электричество и магнетизм; электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе, уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме, квазистационарные токи, принцип относительности в электродинамике; постоянный ток».

Из приведённых текстов видно, что ГОС не детализируют содержание обучения. Учитывая, что в настоящее время отсутствует такой документ, как «типовая рабочая программа» по общему курсу физики, каждое высшее учебное заведение и каждый преподаватель имеет возможность составлять рабочую программу по своему усмотрению, исходя из ресурса учебного времени.

Учитывая, что все рассматриваемые нами направления объединены в единый лекционный поток и, кроме того, в семестре студентам этих направлений отведено одинаковое аудиторное число часов для изучения физики, содержание рабочей программы одинаково для всех названных выше направлений. Оно приведено ниже.

Электрический заряд и его свойства. Виды зарядов, дискретность, инвариантность, закон сохранения электрического заряда. Заряд нуклонов и кварков. Заряд атомов и заряд тел. Электростатическое (эл.ст.) поле и его напряженность. Закон Кулона в векторной форме. Вектор напряженности. Силовые линии. Принцип суперпозиции. Напряженность поля от равномерно заряженной прямой нити.

Теорема Гаусса для эл.ст. поля в вакууме. Поток вектора напряженности (Е). Теорема Гаусса и ее применение к расчету эл.ст. полей: поле равномерно заряженной бесконечной плоскости, поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей, поле равномерно заряженной сферической поверхности, поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра, поле равномерно заряженного по объему шара.

Работа сил эл.ст. поля. Работа сил эл.ст. поля по перемещению точечного заряда. Потенциальность эл.ст. поля. Работа по замкнутому контуру. Циркуляция вектора напряженности. Теорема о циркуляции вектора напряженности эл.ст. поля. Разомкнутость линий напряженности эл.ст. поля. Потенциальная энергия эл.ст. поля точечного заряда и системы точечных зарядов. Потенциал. Потенциал поля точечного заряда и системы точечных зарядов. Принцип суперпозиции для потенциала. Связь работы сил эл.ст. поля и потенциала. Связь потенциала с напряженностью эл.ст. поля (интегральная и дифференциальная). Эквипотенциальные поверхности. Вычисление потенциала по напряженности поля: потенциал поля равномерно заряженной бесконечной плоскости; потенциал поля заряженной сферической поверхности, потенциал поля равномерно заряженного по объему шара.

Эл.ст. поле в диэлектриках. Диполь. Электрический момент диполя. Напряженность эл. ст. поля на оси диполя и на перпендикуляре, восстановленном из середины плеча. Потенциальная энергия диполя в эл. поле. Механический момент, действующий на диполь в эл. поле. Поляризация диэлектриков. Типы диэлектриков. Виды поляризации диэлектриков. Поляризованность P. Зависимость поляризованности от напряженности поля. Связь поляризованности и поверхностной плотности связанных зарядов. Относительная диэлектрическая восприимчивость и проницаемость вещества. Напряженность поля в диэлектрике.

Теорема Гаусса для эл.ст. поля в диэлектрике. Вектор электрического смещения D. Связь векторов E, D и P. Сторонние и связанные заряды. Теорема Гаусса для вектора D. Применение т. Гаусса в диэлектрике для расчета силовых полей. Граничные условия для векторов E и D на границе раздела 2-х диэлектриков: поведение тангенциальных и нормальных составляющих. Преломление силовых линий. Уравнение Пуассона. Проводники в электростатическом поле. Связь вектора D и поверхностной плотности зарядов. Электростатическая индукция. Электростатическая защита.

Электрическая емкость. Энергия эл.ст. поля. Электроемкость уединенного проводника. Электрическая емкость сферы, системы плоских электродов. Конденсаторы и их строение. Соединение конденсаторов. Пробой диэлектриков. Энергия заряженного конденсатора, эл. ст. поля. Объемная плотность энергии электростатического поля.

Сегнетоэлектрики. Свойства сегнетоэлектриков: зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности эл поля, спонтанная поляризация, диэлектрический гистерезис. Объяснение свойств сегнетоэлектриков. Пироэлектрики. Применение сегнетоэлектриков. Пьезоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект и их объяснение, применение пьезоэлектриков.

Постоянный электрический ток. Условия существования эл. тока. Сила тока. Плотность тока. Сила тока через поверхность. Зависимость плотности тока от параметров носителей тока. Условие существования эл. тока. Источник тока. Э.д.с. источника. Сторонние силы. Напряжение на участке цепи

Электрическая проводимость и электрическое сопротивление. Закон Ома для однородного участка цепи. Электрическое сопротивление. Электрическая проводимость. Удельная электрическая проводимость и удельное электрическое сопротивление. Закон Ома в дифференциальной форме. Зависимость удельной электрической проводимости вещества от характеристик носителей тока. Электрическое сопротивление однородного линейного и нелинейного проводника.

Работа и мощность тока. Работа электрического тока. Мощность, выделяемая в проводнике. Закон Джоуля-Ленца. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Закон Ома для замкнутой цепи. Мощность источника, мощность потерь и полезная мощность: зависимость от силы тока и сопротивления. Коэффициент полезного действия источника тока. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.

Электрический ток в металлах. Основные положения классической теории электропроводности металлов и их экспериментальное обоснование (опыты Рикке, Толмена и Стюарта, Милликена). Противоречия классической теории электропроводности металлов. Контактные явления. Работа выхода электронов из вещества. Контактная разность потенциалов, причины ее возникновения, зависимость от работы выхода, концентрации носителей, температуры, координаты. Законы Вольта и их объяснение. Термоэлектрические явления Зеебека, Пельтье. Термопары и их применение.

Электропроводность полупроводников (п/п). Образование носителей тока в п/п. Общие сведение о зонной диаграмме п/п. Собственные и примесные полупроводники. Зависимость концентрации носителей заряда от величины энергии уровня Ферми, температуры. Температурная зависимость удельной электрической проводимости и сопротивления.

Эмиссионные явления и их применение. Термоэлектронная эмиссия. ВАХ вакуумного диода. Закон 3/2. Формула Ричардсона-Дэшмана. Автоэлектронная эмиссия. Электрические свойства газов. Несамостоятельный газовый разряд. Энергия ионизации. Методы ионизации газов. Кривая ионизации. Самостоятельный газовый разряд (тлеющий, искровой, дуговой и коронный).

Магнитное поле токов в вакууме. Магнитные явления. Вектор магнитного момента рамки с током. Вектор магнитной индукции B и его силовые линии. Вектор напряженности магнитного поля H. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитых полей прямого и кругового тока, отрезка провода с током.

Действие магнитного поля на движущиеся заряды и токи. Сила Лоренца (электрическая и магнитная составляющие). Движение заряженных частиц в магнитных полях. Ускорители заряженных частиц. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов.

Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции в вакууме. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме. Замкнутость силовых линий магнитного поля. Магнитное поле соленоида и тороида. Механическая работа в магнитном поле. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.

Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла. Правило Ленца. Токи Фуко. Явления самоиндукции и взаимной индукции. Индуктивность контура, соленоида. Э.д.с. самоиндукции. Взаимная индуктивность контуров. Трансформаторы. Энергия магнитного поля. Энергия магнитного поля, связанная с контуром. Объемная плотность энергии магнитного поля.

Магнитные свойства вещества. Гипотеза Ампера. Магнитные моменты электронов (орбитальный и собственный) и атомов. Магнетон Бора. Намагниченность. Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. Магнитная восприимчивость вещества и относительная магнитная проницаемость вещества, их взаимосвязь. Связь векторов магнитной индукции, напряженности магнитного поля и намагниченности. Диа- и парамагнетики. Ферромагнетики.

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Первая гипотеза и первое уравнение т. Максвелла. Вторая гипотеза Максвелла. Ток смещения в вакууме и диэлектриках. Полный ток. Второе уравнение т. Максвелла. Система уравнений т. Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Значение теории Максвелла.

Несмотря на отсутствие детализации содержания обучения в ГОС, разработчики Федерального Интернет-экзамена в сфере профессионального образования (ФЭПО) предлагают перечень вопросов, который выносится на итоговый контроль по рассматриваемому нами разделу физики. Этот перечень представлен в кодификаторе элементов содержания дисциплины «Физика» цикла общих математических и естественнонаучных дисциплин высшего профессионального образования². Он содержит контролируемое содержание дисциплины и перечень контролируемых учебных элементов, которые используются для проведения Интернет-экзамена в сфере профессионального образования. В дисциплине «Физика» предложено выделить три группы обучающихся: 1 группа – изучает дисциплину от 100 до 279 часов, 2 группа – от 280 до 699 часов, 3 группа – от 700 до 1000 часов.

Все интересующие нас направления попадают во вторую группу. Согласно кодификатору, учащиеся 2-ой группы по рассматриваемому разделу курса «Физика» должны знать и уметь следующее:

№	Название темы	Перечень контролируемых учебных элементов Студент должен…
1	Электростатическое поле в вакууме	знать: поток вектора напряженности электростатического поля через поверхность; теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме; характер электростатического поля точечного заряда, диполя, равномерно заряженной сферической поверхности, равномерно заряженной бесконечной плоскости; связь напряженности поля и потенциала; дипольный электрический момент; момент сил, действующий на диполь в электростатическом поле; работа по перемещению заряда в электростатическом поле; энергия и объемная плотность энергии электростатического поля. уметь: анализировать представленную информацию из графиков и диаграмм; применять теорему Гаусса в условиях конкретной задачи; находить направление напряженности электростатического поля точечного заряда, диполя, заряженной сферы, бесконечной плоскости в произвольной точке; используя связь напряженности и потенциала, находить направление градиента потенциала; находить направление момента сил, действующего на диполь в электростатическом поле; определять знак и величину работы по перемещению заряда в электростатическом поле; определять характер изменения энергии (объемной плотности энергии) электростатического поля при изменении параметров.
2	Законы постоянного тока	знать: плотность и сила тока; действие электрического тока; закон Ома для участка цепи, закон Ома для полной цепи. Закон Ома в дифференциальной форме. Закон Джоуля-Ленца. ЭДС и работа источника тока. Мощность во внешней цепи. Правила Кирхгофа. уметь: находить работу, мощность тока из графиков характеристик электрических цепей; по графику вольтамперной характеристики оценивать величину сопротивления
3	Магнитостатика	знать: характер магнитного поля проводников с током; принцип суперпозиции полей; закон Био- Савара-Лапласа; сила Ампера, сила Лоренца; магнитный поток; магнитный дипольный момент; момент сил, действующий на диполь в магнитном поле; работу сил поля по перемещению проводника с током. уметь: находить направление вектора магнитной индукции поля проводника с током в произвольной точке; применять принцип суперпозиции в условиях конкретной задачи; определять величину и направление сил Ампера и Лоренца; определять величину и направление момента сил, действующего на диполь в магнитом поле; определять величину работы сил поля по перемещению проводника с током; определять размерности физических величина на основе законов магнитостатики.
4	Явление электромагнитной индукции	знать: величину магнитного потока через проводящий контур; характер изменения величины магнитной индукции от расстояния до бесконечно длинного проводника с током; закон электромагнитной индукции и самоиндукции, правило Ленца. уметь: анализировать информацию, представленную в виде графиков; определять знак и величину изменения магнитного потока, пронизывающего проводящий контур; определять условия возникновения ЭДС индукции и самоиндукции, направление индукционного тока; определять размерности физических величина на основе законов электромагнетизма.
5	Электрические и магнитные свойства вещества	знать: классификация диэлектриков (полярные, неполярные диэлектрики; сегнетоэлектрики); электрические свойства атомов и молекул диэлектриков; поведение образца диэлектрика во внешнем электрическом поле; зависимость диэлектрической восприимчивости полярных и неполярных диэлектриков от температуры; особенности свойств сегнетоэлектиков; классификация магнетиков (диа-, пара- и ферромагнетики); магнитные свойства атомов и молекул магнетиков; поведение образца магнетика во внешнем магнитном поле; зависимость магнитной проницаемости (восприимчивости) диа- и парамагнетиков от температуры; особенности свойств ферромагнетиков. уметь: анализировать информацию, представленную в графической форме.
6	Уравнения Максвелла	знать: общий вид системы уравнений Максвелла для электромагнитного поля; физический смысл каждого уравнения системы. уметь: анализировать информацию, представленную в виде системы уравнений Максвелла, записанной для частного случая.

Сравнение рабочей программы дисциплины, используемой нами, и элементов содержания кодификатора свидетельствует о том, что разработанная нами рабочая программа по содержанию полностью перекрывает содержание кодификатора.

Как мы писали ранее, на сегодняшний день проведение ФЭПО – это реальность учебного процесса в вузе, с которой надо считаться. Эта реальность ставит перед преподавателями задачу – приучать студентов к тестовой форме контроля знаний. Это означает, что необходимо разрабатывать различные тестовые измерительные материалы, которые можно использовать как для промежуточной, так и для итоговой оценки знаний и умений учащихся по изучаемому курсу [1].

В связи с тем, что в третьем семестре итоговой формой контроля по курсу физики является экзамен, тестовую форму контроля можно использовать в качестве допуска к экзамену. Очевидно, что в этом случае следует использовать критериально-ориентированный тест [2]. Цель данного тестирования – выяснить, обладает ли студент необходимым минимумом знаний и умений по курсу, чтобы получить положительную оценку.

В следующих разделах будет дано описание характеристик теста, которые могут быть использованы для достижения сформулированной цели.