Решение практических задач, связанных с физическими законами в природе и технике icon

Решение практических задач, связанных с физическими законами в природе и технике


Смотрите также:
«Строительная физика» Профиль: «Городское строительство и хозяйство» Общая трудоемкость изучения...
Общих задач и проблем с целью объединения усилий для их решения. Во-вторых...
Общих задач и проблем с целью объединения усилий для их решения. Во-вторых...
Урок по физике в 7 классе Тема урока: «Сила трения. Трение в природе и технике»...
«Решение задач по механике»...
Решение проблем смысла служит методологической основой изучения других теоретически и...
Курс 1( 1,2семестр)...
Изложение материала в процессе беседы...
Урок на тему: «Решение задач на растворы»...
Решение комбинаторных задач...
Задачи мероприятий: популяризация новых знаний по направлениям современной науки и техники...
«Рычаги в технике, быту и природе»...



Загрузка...
скачать
ФИЗИКА


Кафедра экспериментальной физики, факультет физико-математических и естественных наук.

Специальность ИР

Обязательный курс.

Объем учебной нагрузки: 106 час. – лекции, 88 час. – семинары,

88 час. – лабораторные работы


Цель курса

Основной целью курса является создание физической основы для изучения технических дисциплин и конструктивной работы будущего инженера.

Для реализации поставленной цели в процессе преподавания физики решаются следующие задачи:

- изучение физических законов и их проявлений в природе и технике;

- экспериментальная проверка физических законов и методы измерений физических величин, освоение навыков работы с измерительными приборами;

- решение практических задач, связанных с физическими законами в природе и технике.

^ Содержание курса

Раздел 1. Физические основы механики.

    1. Кинематика материальной точки. Предмет физики. Методы физических исследований: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Роль физики в естествознании и технике. Механическое движение. Предмет механики кинематика и динамика. Материальная точка. Системы отсчета. Прямолинейное и криволинейное, равномерное и переменное движение точки. Скорость, перемещение, путь, ускорение. Нормальное и касательное ускорение.

    2. Динамика материальной точки и системы материальных точек. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Масса и импульс. Второй закон Ньютона. Сила как производная импульса. Третий закон Ньютона. Системы единиц физических величин; основные и производные единицы. Международная система единиц. Система материальных точек; центр масс и импульс системы. Теорема о движении центра масс. Закон сохранения импульса. Движение ракеты. Формула Циолковского.

    3. Работа и энергия. Работа постоянной и переменной силы. Мощность. Потенциальные и непотенциальные силы. Потенциальная и кинетическая энергия. Закон сохранения механической энергии. Трение скольжения. Центральный абсолютно упругий и неупругий удары двух шаров.

    4. Механика твердого тела. Поступательное и вращательное движение тела. Угловое перемещение, угловая скорость, угловое ускорение. Равномерное, переменное и равнопеременное вращение. Вращательный момент. Момент инерции тела. Теорема Штейнера. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Закон сохранения момента импульса. Работа и мощность при вращательном движении. Гироскопы и их применение.

    5. Гравитационные силы. Силы инерции. Закон всемирного тяготения. Гравитационное поле. Сила тяжести и вес тела. Невесомость. Работа силы тяжести при перемещении тела в гравитационном поле Земли. Законы Кеплера. Первая и вторая космические скорости. Искусственные спутники Земли. Принцип относительности Галилея. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции. Центробежная и кориолисова сила инерции во вращающейся системе. Движение на поверхности Земли.

    6. Основы специальной теории относительности. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Относительность длин и интервалов времени. Понятие о релятивистской динамике. Зависимость массы от скорости. Соотношение между массой и энергией.

    7. Упругие свойства сплошных сред. Виды упругих деформаций: растяжение, сдвиг, кручение, объемное сжатие. Закон Гука для упругих деформаций. Модуль Юнга. Модуль сдвига.

    8. Колебания и волны. Элементы акустики. Бегущая волна. Поперечные и продольные волны. Одномерное волновое уравнение. Продольные волны в твердом теле. Волны в газах и жидкостях. Зависимость скорости распространения волн от упругих свойств среды. Поток энергии бегущей волны. Стоячие волны. Ударные волны. Природа звука. Скорость звука. Высота, тембр, сила и громкость звука. Ультразвук и его применение.

    9. Движение жидкости и газа. Общие свойства жидкостей и газов. Идеальная и вязкая жидкость. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Коэффициент вязкости. Формула Пуазейля. Формула Стокса. Ламинарное и турбулентное течение. Критерий Рейнольдса. Объяснение подъемной силы, действующей на крыло самолета.


Раздел 2. Молекулярная физика и термодинамика.

2.1. Кинетическая теория газов. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Основное уравнение кинетической теории газов. Средняя квадратичная, средняя и наиболее вероятная скорости молекул. Максвелловское распределение молекул газа по скоростям. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.

2.2.Законы термодинамики. Предмет термодинамики. Термодинамические системы. Работа при расширении газа. Теплота, теплоемкость. Внутренняя энергия термодинамической системы как функции состояния. Первое начало термодинамики. Число степеней свободы молекул. Внутренняя энергия идеального газа. Теплоемкость при постоянном объеме и при постоянном давлении. Равновесные и неравновесные процессы. Второе начало термодинамики. Энтропия. Изменение энтропии при фазовых переходах. Изменение энтропии при нагревании тела. Связь энтропии с термодинамической вероятностью состояния системы. Возрастание энтропии в изолированной системе.

2.3. Методы термодинамики. Энтропия идеального газа. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. Работа, теплота и изменение внутренней энергии при изопроцессах в идеальном газе. Круговые процессы (циклы). Цикл Карно. Пути повышения к.п.д. тепловых машин. Термодинамические потенциалы. Энтальпия, свободная энергия Гельмгольца, свободная энергия Гиббса. Основные термодинамические соотношения.

2.4. Явления переноса. Теплопроводность, коэффициент теплопроводности. Диффузия, коэффициент диффузии. Диффузия в газах и твердых телах. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул идеального газа. Теплопроводность и диффузия идеального газа.

2.5. Реальные газы. Взаимодействие молекул. Потенциал парного межмолекулярного взаимодействия Ленарда-Джонса. Уравнение Ван-дер-Ваальса и его анализ. Критическая точка. Эффект Джоуля-Томсона. Точка инверсии. Сжижение газов.

2.6. Твердые тела. Кристаллические и аморфные тела. Типы кристаллических структур. Параметры кристаллических решеток. Типы связи между атомами и молекулами в кристалле: ионная, ковалентная и металлическая связь. Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга и Пти. Точечные дефекты в кристаллах: вакансии, примеси внедрения, примеси замещения. Дислокации и пластичность.

2.7 Жидкости. Характеристика жидкого состояния. Поверхностный слой жидкости. Поверхностное натяжение. Формула Лапласа. Капиллярные явления. Смачивание. Поверхностно-активные вещества, их свойства и применение.

2.8. Фазовые переходы. Термодинамические фазы. Условие равновесия фаз. Фазовые переходы первого рода. Линия равновесия (бинодаль). Диаграмма состояний однокомпонентного вещества. Тройная точка. Критическая точка. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Термодинамическая устойчивость фазы. Спинодаль. Метастабильные фазы. Переход жидкость-пар по уравнению Ван-дер-Ваальса. Зарождение новой фазы.


^ Раздел 3. Электричество и магнетизм.

    1. Электростатическое поле. Значение учения об электромагнетизме в технике. Заряды. Элементарный заряд. Измерение заряда. Закон сохранения заряда. Закон кулона. Электростатическое поле. Напряженность и силовые линии поля. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал. Напряжение. Напряженность как градиент потенциала. Потенциальный характер электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности. Индукция электрического поля.

    2. Поле заряженных проводников и конденсаторов. Электроемкость проводников и конденсаторов. Поле заряженной пластины. Поле плоского конденсатора. Энергия электрического поля. Плотность энергии. Поле сферического конденсатора. Поле уединенной сферы. Зависимость между поверхностной плотностью заряда и кривизной поверхности заряженного проводника. Поле цилиндрического конденсатора и поле заряженной нити.

    3. Диэлектрики. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации. Напряженность электрического поля в диэлектрике. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред. Сегнетоэлектрики и их свойства.

    4. Законы постоянного тока. Сила и плотность тока. Законы Ома и Джоуля-Ленца; дифференциальная форма этих законов. Источники электрической энергии. Электродвижущая сила источника. Закон Ома. Правила Кирхгофа.

    5. Электронные свойства металлов. Металлы, диэлектрики, полупроводники. Вырожденный электронный газ в металле. Энергия Ферми. Электропроводность металлов. Зависимость электрического сопротивления металлов от температуры, примесей и дефектов кристаллической структуры. Сверхпроводимость металлов. Высокотемпературная сверхпроводимость.

    6. Контактные явления в металлах. Работа выхода электрона из металла. Внутренняя и внешняя контактная разность потенциалов. Термопара. Термоэлектродвижущая сила. Измерение температуры термопарой. Применение термоэлементов.

    7. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Вакуумный диод. Вольт-амперная характеристика диода. Роль объемного заряда. Формула Ричардсона. Вакуумный триод. Характеристики и параметры триода.

    8. Полупроводники. Полупроводниковые материалы. Ширина запрещенной зоны полупроводника. Собственная электропроводность полупроводника. Проводимость, обусловленная примесями. Донорные и акцепторные полупроводники. n-p контакт двух полупроводников. Полупроводниковые диоды. Биполярные транзисторы.

    9. Электрический ток в газе. Ионизация газа. Несамостоятельный газовый разряд. Электропроводность газа. Виды самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный, дуговой. Плазма и ее основные параметры. Применение газовых разрядов.

    10. Магнитное поле. Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Закон Ампера. Индукция и напряженность магнитного поля. Магнитный поток. Закон Био-Савара-Лапласа. Поле кругового и прямолинейного токов. Сила взаимодействия длинных параллельных проводников с током. Единица тока в системе СИ. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля. Вихревой характер магнитного поля. Магнитное поле тороида и соленоида. Магнитный момент контура с током. Действие магнитного поля на контур с током.

    11. Электромагнитная индукция. Условия возникновения э.д.с. индукции и индукционного тока. Закон Фарадея и правило Ленца. Вихревое электрическое поле. Э.д.с. индукции при движении проводника и вращении контура в однородном магнитном поле. Индуктивность контура. Э.д.с. самоиндукции. Самоиндукция при замыкании и размыкании цепей постоянного тока. Энергия магнитного поля, плотность энергии. Взаимная индукция двух контуров. Вихревые токи. Скин-эффект. Практические применения электромагнитной индукции.

    12. Магнитные свойства вещества. Намагничивание вещества. Магнитная проницаемость. Вектор намагниченности. Токи Ампера. Диамагнетизм и парамагнетизм. Зависимость намагниченности магнетиков от напряженности магнитного поля и температуры. Свойства ферромагнетиков. Точка Кюри. Магнитный гистерезис. Природа ферромагнетизма. Ферросплавы и ферриты. Магнитные свойства сверхпроводников.

    13. Заряженные частицы и плазма в магнитном и электрическом поле. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитном поле. Ускорители заряженных частиц. Масс-спектроскопия. Электронно-лучевая трубка. Плазма в магнитном поле. Ток в плазме. Пинч-эффект. Применение плазмы: плазмотроны, плазменная обработка материалов, магнитогидродинамические генераторы электрической энергии.

    14. Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Свободные колебания в контуре. Незатухающие и затухающие колебания в контуре. Вынужденные колебания. Добротность контура. Переменный электрический ток. Активное сопротивление, емкость и индуктивность в цепи переменного тока. Закон Ома для переменного тока. Резонанс напряжений. Мощность при переменном токе.

    15. Электромагнитные волны. Опыты Герца. Электромагнитное поле. Уравнение простейшей электромагнитной волны в обычной и в дифференциальной формах. Скорость распространения электромагнитных волн. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга. Радиоволны и их применение: радио, телевидение, радиолокация.

    16. Уравнения Максвелла. Ток смещения Первое уравнение Максвелла. Вихревое электрическое поле. Бетатрон. Второе уравнение Максвелла. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Вывод волнового уравнения из уравнений Максвелла.


^ Раздел 4. Волновая и геометрическая оптика.

    1. Электромагнитная природа света. Фотометрия. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн. Электромагнитная природа света. Скорость света. Фотометрические величины: спектральная чувствительность человеческого глаза, световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость; единицы этих величин.

    2. Геометрическая оптика. Отражение и преломление света. Вывод законов отражения и преломления на основе волновых представлений. Преломление и отражение света на сферической поверхности. Сферические зеркала и тонкие линзы. Светосила линзы. Оптическая система из двух линз. Оптические приборы: человеческий глаз и очковые линзы, проекционный аппарат, фотоаппарат, микроскоп, телескоп; увеличение этих приборов.

    3. Интерференция света. Монохроматичность и когерентность световых волн. Методы наблюдения интерференции света. Интерференция света на тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона. Практическое применение интерференции. Интерферометры. Метр и эталон метра.

    4. Дифракция света. Дифракция и условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера на щели. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Формула Брега-Вульфа. Рентгеноструктурный анализ. Голография. Разрешающая способность оптических приборов.

    5. Распределение света в веществе. Поляризация света. Поглощение света, законы Буггера. Рассеяние света, закон Релея. Дисперсия света нормальная и аномальная. Естественный и поляризованный свет. Анализ поляризованного света, закон Малюса. Поляризация света при отражении, угол Брюстера. Двойное лучепреломление. Поляризационные призмы и поляроиды. Интерференция поляризованных лучей. Искусственная оптическая анизотропия. Анализ упругих напряжений. Эффект Керра. Вращение плоскости поляризации.


Раздел 5. Элементы квантовой и атомной физики.

5.1. Тепловое равновесное излучение. Интегральные и спектральные энергетические параметры излучения тел: поток, светимость, яркость. Коэффициент поверхностного поглощения (поглощательная способность) и коэффициент отражения. Абсолютно черное тело. Излучательная способность (степень черноты) тела. Закон Кирхгофа. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Формула Планка для излучения черного тела. Закон Стефана-Больцмана.

5.2. Фотоны и кванты. Фотоэффект. Противоречия классической физики. Квантовая гипотеза Планка. Фотоны. Масса и импульс фотона. Внешний фотоэффект. Вакуумный фотоэлемент. Красная граница фотоэффекта. Законы Столетова. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Внутренний фотоэффект. Фоторезисторы. Фотоэлектрический эффект. Полупроводниковые фотоэлементы. Солнечные батареи. Давление света.

5.3. Элементы квантовой механики. Дифракция электронов на кристаллической решетке. Волновые свойства частиц. Волны де Бройля. Соотношение неопределенностей Гайзенберга. Волновая функция и ее статистический смысл. Стационарное уравнение Шредингера. Квантование энергии частицы в потенциальной яме. Туннельный эффект. Автоэлектронная эмиссия.

5.4. Атом. Ядерная модель атома. Постулаты Бора. Теория Бора для водородоподобных атомов. Спектры водородоподобных атомов. Пространственное распределение электрона в атоме водорода. Спин электрона. Опыт Штерна и Герлаха. Квантовые числа. Принцип Паули. Структура электронных уровней в сложных атомах. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Рентгеновские лучи. Сплошной и характеристический спектры рентгеновского излучения. Закон Мозли. Применение рентгеновских лучей.

5.5. Люминесценция. Лазеры. Спонтанное и вынужденное излучение атомов. Люминесценция. Правило Стокса. Применения люминесценции: люминесцентный анализ, лампы дневного света и др. Принцип работы лазера. Твердотельные и газоразрядные лазеры. Применения лазеров.

5.6. Элементы квантовой статистики. Общие сведения о квантовых статистиках. Фермионы и бозоны. Функция распределения Ферми-Дирака. Электронный Ферми-газ в металле. Функция распределения Бозе-Эйнштейна. Фотонный газ.


Раздел 6. Ядерная физика.

6.1. Строение атомного ядра. Радиоактивность. Атомное ядро. Нуклоны. Массовое число и заряд ядра. Изотопы. Ядерные силы. Энергия связи и дефект массы ядра. Естественная радиоактивность. Изменение числа атомов радиоактивного вещества со временем, период полураспада. Превращения нуклонов в ядре. Нейтрино. Объяснение β-радиоактивности. Искусственная радиоактивность. Позитрон. Радиоактивные изотопы и их применение. Механизм излучения и поглощения γ-лучей. Эффект Мессбауэра. Активность радионуклида. Дозы излучения.

6.2. Ядерные реакции. Слагаемые энергии атомного ядра. Цепная реакция деления ядер урана. Коэффициент размножения нейтронов. Критическая масса реагирующего вещества. Ядерные реакторы. Термоядерные реакции. Проблема управляемого термоядерного синтеза.

6.3. Элементарные частицы. Типы взаимодействий. Возникновение частиц высоких энергий в космических лучах и в ускорителях. Методы регистрации частиц. Классификация частиц: лептоны, мезоны, барионы. Частицы и античастицы. Аннигиляция античастиц. Кварки. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействие.


Перечень лабораторных работ

Первый семестр

  1. Определение объема и плотности тел.

  2. Определение ускорения силы тяжести с помощью математического и физического маятников.

  3. Определение коэффициента упругости пружины.

  4. Определение моментов инерции тел с помощью крутильных колебаний.

  5. Измерение скорости полета тела методом крутильного баллистического маятника.

  6. Определение вязкости жидкости методом Стокса.

  7. Определение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром.

  8. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

  9. Определение отношения удельных теплоемкостей газов методом адиабатического расширения.


Второй семестр

  1. Изучение электрических полей с помощью зонда.

  2. Изучение амперметра и вольтметра.

  3. Измерение э.д.с. источника тока.

  4. Электрическое сопротивление металлов.

  5. Полупроводниковый диод.

  6. Изучение осциллографа.

  7. Электровакуумный триод.

  8. Сопротивление в цепи переменного тока.

  9. Изучение колебательного контура.


Третий семестр

  1. Измерение фокусного расстояния тонких линз.

  2. Определение увеличения микроскопа.

  3. Изучение дисперсии призмы.

  4. Определение радиуса кривизны линзы методом колец Ньютона.

  5. Измерение длины световых волн с помощью дифракционной решетки.

  6. Измерение концентрации сахара в растворе сахариметром.

  7. Исследование внешнего фотоэффекта.


Темы семинарских занятий

Первый семестр

  1. Кинематика и динамика материальной точки.

  2. Динамика материальной точки. Динамика системы материальных точек.

  3. Работа и энергия.

  4. Кинематика и динамика вращательного движения тела. Закон тяготения.

  5. Колебания и волны.

  6. Контрольная работа по механике.

  7. Уравнение состояния идеального газа. Кинетическая теория газов.

  8. Законы термодинамики.

  9. Реальные газы. Фазовые переходы.


Второй семестр.

  1. Электростатика.

  2. Законы электростатики.

  3. Электрические поля проводников и конденсаторов. Диэлектрики.

  4. Постоянный ток. Законы постоянного тока.

  5. Электрический ток в вакууме и в газе.

  6. Контрольная работа по темам «Электростатика», «Постоянный ток».

  7. Магнитное поле.

  8. Электромагнитная индукция.

  9. Электромагнитные колебания и волны.


Третий семестр.

  1. Геометрическая оптика.

  2. Фотометрия.

  3. Интерференция света.

  4. Дифракция и поляризация света.

  5. Тепловое излучение.

  6. Контрольная работа по оптике.

  7. Фотоны и кванты. Волновые свойства частиц.

  8. Строение атома. Рентгеновское излучение.

  9. Радиоактивность. Атомное ядро.


Литература

Обязательная

  1. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003.

  2. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

  3. Савельев И.В. Курс физики, т.1-3. – М.: Наука, 1989.

  4. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: наука, 1997.


Дополнительная

  1. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.1-5, - м.: Изд. Наука, 1977.

  2. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики. – М.: Высшая школа.

  3. Мартынюк М.М., Чудаева Е.Н. Лекции по физике. Оптика, физика атома и атомного ядра. – М.: Изд. РУДН, 2005.


Программа составлена:

Щепилов Валентин Дмитриевич,

кандидат физ.-мат. наук, доцент,

Кубарева Ирина Сергеевна,

кандидат физ.-мат. наук, доцент,

кафедра экспериментальной физики,

факультет физико-математических и естественных наук







Скачать 143.06 Kb.
оставить комментарий
Дата29.09.2011
Размер143.06 Kb.
ТипРешение, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх