LESOSIBIRSK_28__Fizika_140400

УДК 501
БДК В22
Носков М.Ф.
Затеева Е.Ю.
Богданова О.В.
Россия, Республика Хакасия, Саяногорск
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО ОБЩЕЙ Ф И З И К Е Д Л Я
БАКАЛАВРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
И СТРОИТЕЛЬНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
Ключевые слова: бакалавр, физика, механика, электричество, магнетизм,
колебания, волны, квантовая физика.
Данной статья написана авторами, с целью обсудить с коллегами вопрос
об изменении рабочих программ при переходе от специалитета к бакалавриату.
Предпосылок для изменения программы несколько.
Во-первых, и это очевидно, что происходит общее изменение количества
часов, отводимых на изучение курса общей физики. При этом все ранее
изданные учебники рассчитаны на специалитет.
Менее очевидно, что изучение курса общей физики, изначально
заложенное на 1 и 2 семестры 1 курса, происходит параллельно с изучением
курса высшей математики. При этом классический курс физики предполагает,
что студент уже освоил дифференциальное и интегральное исчисление,
векторную алгебру, работу с матрицами и т.п.
Noskov M. Fedorovich
Elena Y. Zateeva
Oksana V. Bogdanova
Russia, Republic of Khakassia, Sayanogorsk
THE WORKING PROGRAM ON THE GENERAL PHYSICS FOR
BACHELORS OF POWER AND CJNSTRUCTION
Keywords: bachelor, physics, mechanics, electricity, magnetism, fluctuations,
waves, quantum physics.
Given article is written by authors, with the purpose to discuss with colleagues
a question of change of working programs upon transition from a specialist
programme to a bachelor degree.
Preconditions for program change a little.
First, and it is obvious that there is the general change of the number of hours,
taken away on studying of a course of the general physics. Thus all earlier published
textbooks are calculated on a specialist programme.
It is less obvious that studying of a course of the general physics, initially put
on 1 and the 2nd semester of 1 course, happens in parallel to studying of a course of
the higher mathematics. Thus the classical course of physics assumes that the student
already mastered differential and integral calculus, vector algebra, work with
matrixes, etc.
В 2011 учебном году в Саяно-Шушенском Филиале преподавание физики
начиналось именно с первого семестра, лектор Носков М.Ф. был вынужден по
ходу уменьшать объем собственно физики, дополняя лекции краткими
сведениями из высшей математики.
Начиная с 2012 учебного года в СШФ СФУ, физика была смещена на 2 и 3
семестры и оставлена двухсеместровым курсом. При этом чтение лекций во
втором
семестре
уже
не
потребовало
отвлечения
лектора-физика
на
рассмотрение вопросов высшей математики.
Беда подкралась с другой стороны – в небольших ВУЗах и филиалах, как
правило, не существует больших лекционных потоков для студентов одного
направления, в СШФ СФУ лекции читались в одном и том же потоке и
энергетикам, и строителям.
При этом у строителей после курса физики, прочитанного во втором
семестре, в третьем и последующих семестрах читался курс по дисциплинам:
Гидравлика, Теоретическая и Техническая механика. Эти предметы базируются
на разделах физики – Механика, механика жидкости и газа, прочитанных
весной во втором семестре. Никаких проблем с составлением рабочей
программы не возникло.
У
бакалавров-энергетиков,
курсов
по
дисциплинам:
Гидравлика,
Теоретическая и Техническая механика нет вообще, зато есть курс по
дисциплине Теоретические Основы Электротехники, который в итоге читается
параллельно разделам электричество и магнетизм в курсе общей физики.
Так, например, если читать курс общей физики равномерно в течение
всего семестра, то тема Законы Кирхгофа сначала изучается в курсе ТОЭ, и
только через две недели – в курсе физики, хотя должно быть наоборот.
Смещать курс ТОЭ на 3 семестр не получается из-за того, что после курса
по дисциплине ТОЭ идут следующие, вытекающие из него – например,
Переходные процессы.
Ситуация казалась безвыходной, но затем, в результате «мозгового
штурма» нашлось невероятно простое решение:
-выделить из курса общей физики волновую и квантовую оптику под
названием «Специальная физика» и перенести ее изучение на 4 семестр.
Волновая и квантовая оптика, несомненно, нужная для формирования у
студентов научного мировоззрения и современного физического мышления, в
принципе не нужна для создания теоретической и практической базы знаний
студентов для изучения специальных дисциплин электротехнического и
строительного профиля;
-прочитать большую часть лекций по электричеству и магнетизму в 3
семестре в течение первого месяца занятий, практически не ставя в расписание
этого семестра лекционных, практических и лабораторных занятий по курсу
ТОЭ.
Эксперимент был проведен в 3, осеннем семестре 2013-2014 учебного
года, в период с 03 по 18 сентября. Было прочитано 11 лекций из
запланированных по графику 18, а именно, темы с 16 по 18. Темы 17-22 не
являются обязательными при изучении курса по дисциплине Теоретические
основы электротехники.
Трудоемкость дисциплины 8 зачетных единиц (288 ч.), определена в
соответствии с числом зачетных единиц установленных стандартом для
обязательных дисциплин общепрофессионального цикла, заканчивается 2
экзаменами.
Ниже авторы приводят оптимальную, с их точки зрения, программу
лекционного курса, читаемого в Саяно-Шушенском Филиале Сибирского
Федерального Университета.
Содержание разделов и тем лекционного курса
II семестр
Модуль 1. Физические основы механики
Тема 1. Введение. Физические величины, их измерение и оценка
погрешностей.
Физика в системе естественных наук. Общая структура и задачи
дисциплины
«Физика».
Экспериментальная
и
теоретическая
физика.
Физические величины, их измерение и оценка погрешностей. Системы единиц
физических величин. Краткая история физических идей, концепций и открытий.
Классическая и неклассическая физика. Физика и научно-технический
прогресс.
(Аудиторные занятия - 2 час, самостоятельная работа - 1 час)
Тема 2. Кинематика
Основные кинематические характеристики криволинейного движения:
скорость и ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорения. Кинематика
вращательного движения: угловая скорость и угловое ускорение, их связь с
линейной скоростью и ускорением.
(Аудиторные занятия – 2 часа, самостоятельная работа - 2 часа)
Тема 3. Динамика.
Инерциальные системы отсчета и первый закон Ньютона. Второй закон
Ньютона. Масса, импульс, сила. Третий закон Ньютона и закон сохранения
импульса. Закон Всемирного тяготения. Силы сопротивления. Момент импульса
материальной точки и момент механической системы. Момент силы. Закон
сохранения момента механической системы.
(Аудиторные занятия - 2 час, самостоятельная работа - 1 час)
Тема 4. Работа и энергия
Сила,
работа
и
потенциальная
энергия.
Консервативные
и
неконсервативные силы. Работа и кинетическая энергия. Закон сохранения
полной механической энергии в поле потенциальных сил.
(Аудиторные занятия – 2 час, самостоятельная работа - 2 часа)
Тема 5. Динамика вращательного движения.
Уравнение вращения твердого тела вокруг закрепленной оси. Момент
инерции. Формула Штейнера. Кинетическая энергия твердого вращающегося
тела.
(Аудиторные занятия - 2 час, самостоятельная работа - 1 час)
Тема 6. Элементы механики сплошных сред
Общие свойства жидкостей и газов. Стационарное течение идеальной
жидкости. Уравнение Бернулли. Упругие напряжения и деформации в твердом
теле. Закон Гука. Модуль Юнга. Коэффициент Пуассона.
(Аудиторные занятия - 2 час, самостоятельная работа - 1 час)
Тема 7. Основы релятивисткой механики
Постулаты
теории
относительности.
Преобразования
Лоренца.
Относительность одновременности. Релятивистский закон сложения скоростей.
Релятивистская энергия. Связь массы, импульса и энергии релятивистской
частицы. СТО и ядерная энергетика.
(Аудиторные занятия – 2 час, самостоятельная работа - 1 час)
Модуль 2. Молекулярная физика и термодинамика
Тема 8 Элементы молекулярно-кинетической теории
Давление газа с точки зрения МКТ. Связь теплоемкости с числом
степеней свободы молекул газа. Распределение Максвелла молекул идеального
газа. Экспериментальное обоснование распределения Максвелла.Распределение
Больцмана и барометрическая формула.
(Аудиторные занятия – 4 часов, самостоятельная работа -2 час)
Тема 9 Элементы термодинамики.
Термодинамическое
термодинамики.
равновесие
Эмпирическая
и
температура.
температурная
шкала.
Нулевое
начало
Квазистатические
процессы. Уравнение состояния в термодинамике. Обратимые и необратимые
процессы. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Уравнение Майера.
Изохорический, изобарический, изотермический процессы в идеальных газах.
Преобразование теплоты в механическую работу. Цикл Карно и его
коэффициент полезного действия.
(Аудиторные занятия - 4 часов, самостоятельная работа - 2 час)
Тема 10 Элементы физической кинетики
Явление переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение.
Броуновское движение.
(Аудиторные занятия - 4 часов, самостоятельная работа - 2 час)
Модуль 3. Колебания и волны
Тема 11 Механические гармонические колебания
Идеальный
гармонический
осциллятор.
Уравнение
идеального
осциллятора и его решение. Амплитуда, частота и фаза колебания. Энергия
колебаний.
Примеры
колебательных
движений
механической
природы.
Свободные затухающие колебания механического осциллятора с потерями.
Вынужденные колебания. Сложение колебаний (биения, фигуры Лиссажу).
(Аудиторные занятия – 6 часов, самостоятельная работа – 3 часа)
Тема 14 Волны
Волновое движение. Плоская гармоническая волна. Длина волны,
волновое число, фазовая скорость. Уравнение волны. Одномерное волновое
уравнение. Упругие механические волны в газах, жидкостях и твердых телах.
Элементы акустики. Эффект Допплера. Поляризация волн.
(Аудиторные занятия - 4 часа, самостоятельная работа – 2 часа)
III семестр
Модуль 4. Электричество и магнетизм
Тема 15 Электростатика
Закон Кулона. Напряженность и потенциал электростатического поля.
Теорема Гаусса в интегральной форме и ее применение для расчета
электрических полей.
Теорема Гаусса в дифференциальной форме. Дивергенция векторного
поля. Теорема Стокса в интегральной и дифференциальной форме.
Циркуляция и ротор векторного роля. Уравнения Пуассона и Лапласа для
потенциала. Теорема Ирншоу.
(Аудиторные занятия - 6 час, самостоятельная работа - 3 час)
Тема 16 Проводники в электрическом поле.
Равновесие зарядов в проводнике. Эквипотенциальные поверхности и
силовые
линии
электростатического
поля
между
проводниками.
Электростатическая защита. Емкость проводников и конденсаторов. Энергия
заряженного конденсатора.
Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы
заряженных проводников. Объемная плотность энергии электростатического
поля.
(Аудиторные занятия - 4 час, самостоятельная работа – 2 час)
Тема17 Диэлектрики в электрическом поле.
Электрическое поле диполя. Диполь во внешнем электрическом поле.
Поляризация диэлектриков. Ориентационный и деформационный механизмы
поляризации.
Вектор
электрического
смещения
(электрической
индукции).Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в
однородном диэлектрике.
Разложение поля системы электрических зарядов по мультиполям.
Дипольный момент системы зарядов. Вектор поляризации (поляризованности)
диэлектрика и его связь с объемной и поверхностной плотностью связанных
зарядов.Вектор электрического смещения (электрической индукции).
Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость для
полярных
и
неполярных
диэлектриков.
Объемная
плотность
энергии
электрического поля в диэлектрике.
(Аудиторные занятия - 6 час, самостоятельная работа – 3 час)
Тема 18 Постоянный электрический ток
Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности для плотности тока.
Закон Ома в интегральной и дифференциальной формах. Закон Джоуля-Ленца.
Закон Видемана-Франца. ЭДС источника тока. Правила Кирхгофа.
Классическая теория электропроводности металлов (теория ДрудеЛоренца), условия ее применимости и противоречия с экспериментальными
результатами.
проводнике.
Максвелловская
релаксация
неоднородности
заряда
в
(Аудиторные занятия - 4 час, самостоятельная работа – 2 час)
Тема 19 Магнитостатика.
Магнитное
взаимодействие
постоянных
токов.
Вектор
магнитной
индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца. Движение зарядов в электрических и
магнитных полях. Закон Био-Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции. (закон
полного тока).
Магнитное поле движущегося заряда. Поток и циркуляция магнитного
поля.
Дивиргенция
и
ротор
вектора
магнитной
индукции. Движение
заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Эффект Холла и его
применение.
(Аудиторные занятия - 4 час, самостоятельная работа - 2 час)
Тема 20 Магнитное поле в веществе
Магнитное поле и магнитный дипольный момент кругового тока.
Намагничивание магнетиков. Напряженность магнитного поля. Магнитная
проницаемость. Классификация магнетиков.
Вектор намагниченности и его связь с плотностью молекулярных токов.
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость.
Диамагнетики, ферромагнетики и парамагнетики.Граничные условия на
поверхности раздела двух магнетиков. Объемная плотность энергии магнитного
поля в веществе.
(Аудиторные занятия - 4час, самостоятельная работа – 2 час)
Тема 21 Электромагнитная индукция
Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Уравнение
электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность соленоида. Работа
по перемещению контура с током в магнитном поле. Энергия магнитного поля.
Физика электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Ток
смещения.
(Аудиторные занятия - 4 час, самостоятельная работа – 2 часа)
Тема 22 Уравнения Максвелла
Система уравнений Максвелла в интегральной форме и физический
смысл входящих в нее уравнений.
(Аудиторные занятия - 2 часа, самостоятельная работа – 1 час)
В заключение отметим, что авторы не считают приведенную выше программу
самой лучшей, и с вниманием отнесутся к замечаниям коллег, направленных на
улучшение преподавания курса физики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носков М.Ф. Опыт применения программы
ELEKTRONICS
WORKBENCH в преподавании курса «Общая электротехника»
студентам
СГГА//Актуальные
вопросы
модернизации
высш.образования: сб. материалов регионал.научно-метод. Конф.,
11-12 февр.2010г. – Новосибирск: СГГА, 2010. – 151-153с.
2. Носков М.Ф. Повышение чувствительности оптико-физических
измерений путем нелинейной обработки изображений: дис. на
соиск. учен. степ. д-ра техн. наук по спец. 01.04.05 – Оптика (техн.
науки). – Новосибирск, 2007. – 179с.
3. Носков
М.Ф.
особенности
современного
естествознания
гуманитарных
классах
преподавания
средней
студентам,
курса
концепции
обучавшимся
школы//Актуальные
в
вопросы
модернизации высш.образования: сб. материалов регионал.научнометод. Конф., 11-12 февр.2010г. – Новосибирск: СГГА, 2010. – 112114с.