Спецсеминар: физика - Основные образовательные программы
реклама
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Филиал в г.Ишиме УТВЕРЖДАЮ Директор филиала ______________ /Шилов С.П./ 20.11.2014 СПЕЦСЕМИНАР ПО ФИЗИКЕ «ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ» Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 050201.65 Математика с дополнительной специальностью Физика очной формы обучения 1 ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ от 20.11.2014 Содержание: УМК по дисциплине Спецсеминар по физике «Избранные вопросы общей физики» Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для специалистов направления подготовки 050201.65 Математика с дополнительной специальностью Физика очной формы обучения Автор(-ы): Журавлева Н.С. Должность Заведующий кафедрой физикоматематических дисциплин и профессиональнотехнологического образования Председатель УМС филиала ТюмГУ в г.Ишиме Начальник ОИБО ФИО Мамонтова Т.С. Дата согласования Результат согласования Примечание 16.10.2014 Рекомендовано к электронному изданию Протокол заседания кафедры от 16.10.2015 №2 Протокол заседания УМС от 11.11.2015 №3 Поливаев А.Г. 11.11.2014 Согласовано Гудилова Л.Б. 20.11.2014 Согласовано 2 РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Филиал в г. Ишиме Кафедра физико-математических дисциплин и профессионально-технологического образования Журавлева Н.С. СПЕЦСЕМИНАР ПО ФИЗИКЕ «ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ» Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 050201.65 Математика с дополнительной специальностью Физика очной формы обучения Тюменский государственный университет 2014 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Журавлева Н.С. УМК по дисциплине Спецсеминар по физике «Избранные вопросы общей физики» Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для специалистов направления подготовки 050201.65 Математика с дополнительной специальностью Физика очной формы обучения. Тюмень, 2014. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрОП ВО по направлению подготовки. Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Спецсеминар по физике «Избранные вопросы общей физики» [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.utmn.ru, раздел «Образовательная деятельность», свободный. Рекомендовано к изданию кафедрой физико-математических дисциплин и профессионально-технологического образования. Утверждено директором филиала ТюмГУ в г. Ишиме. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР Мамонтова Т.С., к.п.н., доцент Ф.И.О., ученая степень, звание заведующего кафедрой © Тюменский государственный университет, филиал в г. Ишиме, 2014. © Журавлева Н.С., 2014. Страница 4 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ишимский государственный педагогический институт им. П.П. Ершова" УТВЕРЖДАЮ Ректор ФГБОУ ВПО» ИГПИ им. П.П. Ершова ________________________ С.П. Шилов «______» __________________ 20 г. Рабочая программа дисциплины Спецсеминар по физике «Избранные вопросы общей физики» Специальность 0200501. 62 – «Математика с дополнительной специальностью физика» Ишим 2011 Страница 5 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» УТВЕРЖДЕНО На заседании кафедры ТиМОФТиП Протокол № от «___» __________ 20__ г. Зав. кафедрой УТВЕРЖДЕНО На заседании Совета физикоматематического факультета Протокол № от «___» __________ 20__ г. Председатель Совета _______________ О.В. Сидоров _______________ Е.В. Ермакова СОГЛАСОВАНО «___»______________20__ г. Начальник ОИБО _____________ ____________________________ ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ с «__»___________20___ г. РАЗРАБОТАНА к.п.н., доцентом кафедры ТиМПФТиП Н.С. Журавлевой к.п.н., доцентом кафедры ТиМПФТиП Е.В. Ермаковой РЕЦЕНЗЕНТ к.п.н., доцент И.Ф. Кашлач Периодичность ПЕРЕСМОТРА один раз в год Страница 6 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Содержание I. Общие сведения 1.1. Выписка из ГОС ВПО 1.2. Введение 1.2.1. Цель и задачи преподавания изучения дисциплины 1.2.2. Требования к уровню освоения дисциплины 1.2.3. Требования к организации дисциплины 1.2.4. Объем дисциплины и виды учебной работы II. Содержание дисциплины 2.1. Тематический план изучения дисциплины 2.2. Содержание разделов дисциплины 2.3. Материально-техническое оснащение дисциплины Ш. Организация аудиторной и самостоятельной работы студентов 3.1. Организация аудиторной работы студентов 3.1.1. Краткий курс лекций 3.1.2. Планы практических занятий 3.1.4. Вопросы самопроверки 3.2. Организация самостоятельной работы студентов 3.3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 3.4. Методические рекомендации для преподавателя 3.5. Методические рекомендации для студентов IV. Материалы входного, текущего и итогового контроля 4.1. Входной контроль – контрольная работа. 4 4 4 4 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 12 15 15 15 16 16 16 16 4.2. Текущий контроль – темы рефератов 4.3. Итоговый контроль – контрольная работа V. Терминологический минимум 5.1. Основные термины и понятия курса 16 17 17 17 Страница 7 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» I. Общие сведения 1.1. Выписка из ГОС ВПО СД.В 2. Спецсеминар: физика Данная дисциплина относится к дисциплинам по выбору. 1.2. Введение Рабочая программа (РП) дисциплины спецсеминар «Избранные вопросы общей физики» по физике» разработана на основе требований ГОС ВПО в соответствии с нормативно-правовыми актами, учредительными и нормативными документами ФГБОУ ВПО ИГПИ. РП дисциплины спецсеминар «Избранные вопросы общей физики» по физике» предназначена для студентов физико-математического факультета педагогического института. Она включает в себя общие вопросы организации дисциплины, содержание спецсеминара, планы занятий и методические рекомендации к ним; вопросы (тесты) для самоконтроля; организацию СРС; материалы входного и итогового контроля; терминологический минимум (терминологический словарь). Дисциплина спецсеминар «Избранные вопросы общей физики» по физике» призвана решить задачу формирования у будущих учителей физики научного мировоззрения и умения пользоваться теоретическими методами научного познания. 1.2.1. Цель и задачи изучения дисциплины Целью освоения дисциплины спецсеминар «Избранные вопросы общей физики» является формирование у будущего учителя физики научного мировоззрения и умения пользоваться теоретическими методами, добиваясь при этом усвоения студентами общей структуры физической науки и конкретных физических явлений, и в целом формирование готовности использовать знания о современной картине мира в образовательной и профессиональной деятельности. Задачи изучения дисциплины: - ознакомление с основными направлениями развития физической науки; - овладение понятийным аппаратом (экспериментальными фактами, понятиями, законами). - развитие мышления и формирование умений самостоятельно приобретать и применять знания, наблюдать и объяснять физические явления; - формирование познавательного интереса к физике и технике, развитие творческих способностей; - раскрытие взаимосвязи физики и техники, показ ее применения в производстве и человеческой деятельности; - привитие умения самостоятельно пополнять свои знания, ориентироваться в научно–информационном потоке. Задачи изучения дисциплины: - ознакомление с основными направлениями развития физической науки; - овладение понятийным аппаратом (экспериментальными фактами, понятиями, законами, теориями, методами физической науки). - развитие мышления и формирование умений самостоятельно приобретать и применять знания, наблюдать и объяснять физические явления; - формирование познавательного интереса к физике и технике, развитие творческих способностей; - раскрытие взаимосвязи физики и техники, показ ее применения в производстве и человеческой деятельности, объяснение физических процессов, протекающих в природе; - привитие умения самостоятельно пополнять свои знания, ориентироваться в научно–информационном потоке. 1.2.2. Требования к уровню освоения дисциплины Страница 8 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» В результате изучения дисциплины студент должен: Знать: сущность физических явлений в природе; определения основных понятий общей физики; основные законы и теоремы общей физики; Уметь: планировать и осуществлять учебный эксперимент по исследованию физических явлений и закономерностей; решать задачи с соответствующим анализом результатов и полученных выводов; оценивать результаты эксперимента, готовить отчетные материалы о проведенной исследовательской работе; объяснить физическую сущность процессов происходящих в природе и технике. Владеть: методологией исследования; системой знаний о фундаментальных физических законах и теориях, физической сущности явлений и процессов в природе и технике; системой знаний по организации и постановке физического эксперимента, обладает способностью теоретического анализа результатов наблюдений и экспериментов; знанием принципиальных схем проведения конкретных экспериментов, экспериментальных устройств и установок, компьютерной обработки результатов измерений. 1.2.3. Требование к организации дисциплины Дисциплина спецсеминар «Избранные вопросы общей физики» читается на очном отделении в седьмом семестре (3 курс), на нее отводится 60 часов: 30 – аудиторных; 30 – самостоятельная работа студентов. Дисциплина спецсеминар «Избранные вопросы общей физики» предусматривает проведение лекций, семинарских занятий. Основное содержание лекций – изложение ряда избранных теоретических вопросов «Общей физики». Семинарские занятия посвящаются детальному рассмотрению ряда вопросов общей физики. Самостоятельная работа студентов по дисциплине, как правило, носит учебноисследовательский характер: подготовка к семинарским занятиям, написание рефератов, консультации с преподавателем. Контроль знаний и умений проводится в виде оценки качества написания и защиты рефератов, сдачи зачета. 1.2.4. Объем дисциплины и виды учебной работы Аудиторные занятия (всего) 30 Семестр 7 30 Лекции (ЛК) Практические занятия (ПРЗ) Семинары (С) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа (всего) (СРС) Консультации 4 4 26 26 30 2 30 2 Вид учебной работы Всего часов Страница 9 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Работа с литературой и ЭОР Решение дополнительных задач Написание рефератов Подготовка к зачету 8 5 6 9 8 5 6 9 Общая трудоемкость 60 60 II. Содержание дисциплины 2.1. Тематический план изучения дисциплины № 1 2 3 4 5 6 Наименование разделов (тем) дисциплины Неинерциальные системы отсчета Элементы релятивистской механики Физическая кинетика Термоэлетрчество Элементы современной физики атома Радиоактивность. Ядерные реакции Всего: ЛК ПРЗ ЛР С СРС Всего 8 4 6 4 5 5 5 5 5 7 13 9 11 9 4 26 5 30 11 60 2 2 4 2.2. Содержание разделов дисциплины Неинерциальные системы отсчета Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции. Центробежные силы инерции. Сила Кориолиса. Законы динамики для неинерциальных системах отсчета. Элементы релятивистской механики Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Относительность одновременности. Длительность события. Длина тела в разных системах отсчета. Релятивистский закон сложения скоростей. Энергия в релятивистской динамики. Релятивистский импульс. Физическая кинетика Средняя длина свободного пробега. Общие представления о явлениях переноса. Основные законы явлений переноса. Разряженные газы и их свойства. Термоэлетрчество Контактная разность потенциалов. Эффект Зебека. Эффекты Пельтье и Томсона. Термоэлектрические явления в анизотропных средах. Термоэлектрические приборы. Элементы современной физики атома 1s-состояние электрона в атоме водорода. Эффект Зеемана. Системы тождественных частиц. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеивание света. Радиоактивность. Ядерные реакции Радиоактивность, ее разновидности. Цепная ядерная реакция. Ядерная энергетика. Ядерные реакторы. Ядерная энергетика и экологические проблемы. 2.3. Материально-техническое оснащение дисциплины Для обеспечения освоения данной дисциплины имеются: мультимедийная установка, презентация лекций; кодоскоп, кодограммы; архив периодических изданий. Ш. Организация аудиторной и самостоятельной работы студентов Страница 10 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» 3.1. Организация аудиторной работы студентов 3.1.1. Краткий курс лекции Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции Как известно, законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета. Системы отсчета, которые движутся относительно инерциальной системы с ускорением, называются неинерциальными. В неинерциальных системах законы Ньютона, вообще говоря, уже применять нельзя. Однако законы динамики можно применять и для них, если кроме сил, которые обусловленны воздействием тел друг на друга, ввести в рассмотрение понятие силы особого рода - так называемую силу инерции. При учете сил инерции второй закон Ньютона будет справедлив для любой системы отсчета: произведение массы тела на ускорение в рассматриваемой системе отсчета равно сумме всех сил, действующих на данное тело (учитывая и силы инерции). При этом силы инерции Fin должны быть такими, чтобы вместе с силами F, обусловленными воздействием тел друг на друга, они сообщали телу ускорение а', каким оно обладает в неинерциальных системах отсчета, т. е. (1) Так как F=ma (a - ускорение тела в инерциальной системе отсчета), то Силы инерции обусловлены ускоренным движением системы отсчета относительно измеряемой системы, поэтому в общем случае следует учитывать следующие случаи возникновения этих сил: 1) силы инерции при ускоренном поступательном движении системы отсчета; 2) силы инерции, которые действуют на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета; 3) силы инерции, которые действуют на тело, движущееся во вращающейся системе отсчета. Рассмотрим эти случаи. 1. Силы инерции при ускоренном поступательном движении системы отсчета. На тележке к штативу на нити подвешен шарик массой m (рис. 1). Пока тележка покоится или движется прямолинейно и равномерно, нить, которая удерживает шарик, занимает вертикальное положение и сила тяжести Р уравновешивается силой реакции (натяжения) нити Т. Если тележку привести в поступательное движение с ускорением а0, то нить будет отклоняться от вертикали в Рис.1 сторону, обратную движению, до такого угла α, пока результирующая сила F=P+T не даст ускорение шарика, равное а0. Значит, результирующая сила F направлена в сторону ускорения тележки а0 и для установившегося движения шарика (теперь шарик движется вместе с тележкой с ускорением а0) равна F=mgtgα=ma0, откуда , т. е. угол отклонения нити от вертикали тем больше, чем больше ускорение тележки. В системе отсчета, которая связана с ускоренно движущейся тележкой, шарик покоится, что возможно, если сила F уравновешивается равной и противоположно направленной ей силой Fin, которая является ничем иным, как силой инерции, так как на шарик никакие другие силы не действуют. Таким образом, (2) Проявление сил инерции при поступательном движении мы можем видеть в повседневных явлениях. Если Рис.2 поезд набирает скорость, то пассажир, сидящий при этом по ходу поезда, прижимается к спинке сиденья под действием силы инерции. Наоборот, при Страница 11 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» торможении поезда пассажир отклоняется от спинки сиденья, т.к. сила инерции направлена в противоположную сторону. Особенно силы инерции заметны при внезапном торможении поезда. Эти силы проявляются в перегрузках, возникающие при запуске и торможении космических кораблей. 2. Силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета. Пусть диск равномерно вращается с угловой скоростью ω (ω=const) вокруг перпендикулярной ему оси, которая проходит через его центр. На диске установлены маятники, на разных расстояниях от оси вращения и на нитях висят шарики массой m. Когда диск начнет вращаться, шарики отклоняются от вертикали на некоторый угол (рис. 2). В инерциальной системе отсчета, которая связана, например, с помещением, где установлен диск, происходит равномерное вращение шарика по окружности радиусом R (расстояние от центра вращающегося шарика до оси вращения). Значит, на него действует сила, равная F=mω2R и которая направлена перпендикулярно оси вращения диска. Она является равнодействующей силы тяжести Р и силы реакции (натяжения) нити Т: F=P+T. Когда движение шарика установится, то F=mgtgα=mω2R, откуда , т. е. углы отклонения нитей маятников будут тем больше, чем больше угловая скорость вращения ω и чем больше расстояние R от центра шарика до оси вращения диска. Относительно системы отсчета, которая связана с вращающимся диском, шарик покоится, что возможно, если сила F уравновешивается равной и противоположно направленной ей силой Fс, являющаяся ничем иным, как силой инерции, так как никакие другие силы на шарик не действуют. Сила Fc, называемая центробежной силой инерции, направлена по горизонтали от оси вращения диска и равна (3) На практике действие центробежных сил инерции испытывают, например, пассажиры в движущемся автобусе на поворотах, летчики при выполнении фигур высшего пилотажа; центробежные силы инерции используются во всех центробежных механизмах: насосах, сепараторах и т. д., где они достигают очень больших значений. При проектировании быстро вращающихся деталей машин (винтов самолетов, роторов и т. д.) используются специальные механизмы для уравновешивания центробежных сил инерции. Из формулы (3) следует, что центробежная сила инерции, которая действует на тела во вращающихся системах отсчета и которая направлена в сторону радиуса от оси вращения, зависит от угловой скорости вращения ω системы отсчета и радиуса R, но при этом не зависит от скорости тела относительно вращающихся систем отсчета. Значит, центробежная сила инерции действует во вращающихся системах отсчета на все тела, которые удалены от оси вращения на конечное расстояние, при этом не имеет значения, покоятся ли они в этой системе отсчета (как мы предполагали до сих пор) или движутся относительно нее с некоторой скоростью. 3. Силы инерции, действующие на тело, движущееся во вращающейся системе отсчета. Пусть шарик массой m движется с постоянной скоростью ν' вдоль радиуса равномерно вращающегося диска (ν'=const, ω=const, ν перпендикулярно ω). Если диск не начал вращаться, то шарик, движется по радиальной прямой и попадает в точку А, если же диск привести во вращение в направлении, которое указанно стрелкой, то шарик покатится по кривой OВ (рис. 3а), причем его скорость ν' Рис.3 относительно диска сменит свое направление. Это возможно лишь в случае, если на шарик действует сила, которая перпендикулярна скорости ν'. Страница 12 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Чтобы заставить шарик катиться по вращающемуся диску вдоль радиуса, будем использовать жестко укрепленный вдоль радиуса диска стержень, на котором шарик движется без трения прямолинейно равномерно со скоростью ν' (рис. 3б). При отклонении шарика стержень действует на него с некоторой силой F. Во вращающейся системы отсчета, т.е. относительно диска, шарик движется прямолинейно и раномерно, что объясняется тем, что сила F уравновешивается приложенной к шарику силой инерции Fk, которая перпендикулярной скорости ν'. Эта сила называется кориолисовой силой инерции. Можно показать, что сила Кориолиса Вектор Fk перпендикулярен векторам скорости v' тела и угловой скорости вращения системы отсчета в соответствии с правилом правого винта. Сила Кориолиса действует только на тела, которые движутся относительно вращающейся системы отсчета, чаще всего рассматривается случай относительно Земли. Действием этих сил объясняется ряд наблюдаемых на Земле явлений. Так, если тело движется в северном полушарии на север (рис. 4), то действующая на него сила Кориолиса, как это следует из выражения (4), будет направлена вправо по отношению к направлению движения, т. е. тело несколько отклонится на восток. Если тело движется на юг, то сила Кориолиса также действует вправо, если смотреть по направлению движения, т. е. тело отклонится на запад. Поэтому в северном полушарии наблюдается более сильное Рис.4 подмывание правых берегов рек; правые рельсы железнодорожных путей по движению изнашиваются быстрее, чем левые, и т. д. Также можно показать, что в южном полушарии сила Кориолиса, которая действует на движущиеся тела, направлена влево по отношению к направлению движения. Благодаря действию силы Кориолиса падающие на поверхность Земли предметы отклоняются к востоку (на широте 60° это отклонение должно составлять 1 см при падении с высоты 100 м). С силой Кориолиса связано движение маятника Фуко, которое явилось в свое время одним из доказательств вращения Земли. Если бы силы Кориолиса не было, то тогда плоскость колебаний качающегося вблизи поверхности Земли маятника оставалась бы неизменной (относительно Земли). Действие же данной силы приводит к вращению плоскости колебаний вокруг вертикального направления. Раскрывая содержание Fin в формуле (1), получим основной закон динамики для неинерциальных систем отсчета: , где силы инерции задаются формулами (2) - (4). Еще раз подчеркнем, что силы инерции вызываются не взаимодействием тел, а ускоренным движением системы отсчета. По этой причине они не подчиняются третьему закону Ньютона, так как если на тело действует сила инерции, то не существует силы, противодействующей ей и приложенной к данному телу. Два основных положения механики, по которым ускорение всегда вызывается силой, а сила всегда обусловлена взаимодействием между телами, в системах отсчета, движущихся с ускорением, одновременно не выполняются. Для любого из тел, которые находятся в неинерциальной системе отсчета, силы инерции являются внешними; Значит, здесь нет замкнутых систем, т.е. в неинерциальных системах отсчета не выполняются также и законы сохранения импульса, энергии и Страница 13 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» момента импульса. Значит, силы инерции действуют только в неинерциальных системах отсчета. В инерциальных системах отсчета таких сил не существует. Возникает вопрос о реальном или фиктивном существовании сил инерции. В ньютоновской механике, в которой сила является результатом взаимодействия тел, на силы инерции можно смотреть как на не существующие в инерциальных системах отсчета или фиктивные. Однако возможна и другая их интерпретация. Поскольку взаимодействия тел осуществляются посредством силовых полей, то силы инерции рассматриваются как воздействия, которым подвергаются тела со стороны каких-то реальных силовых полей, и тогда их можно считать реальными. Независимо рассмотрения сил инерции в качестве реальных или фиктивных, многие явления, упоминающиеся в настоящем параграфе, объясняются с помощью сил инерции. Силы инерции, которые действуют на тела в неинерциальной системе отсчета, пропорциональны их массам и при прочих равных условиях сообщают этим телам одинаковые ускорения. Значит, в поле сил инерции эти тела движутся абсолютно одинаково, если только одинаковы начальные условия. Тем же свойством обладают тела, которые находятся под действием сил поля тяготения. Возможны условия, при которых силы инерции и силы тяготения невозможно различить. Например, движение тел в равноускоренном лифте происходит точно так же, как и в неподвижном лифте, висящем в однородном поле тяжести. Никакой эксперимент, выполненный внутри лифта, не может отделить однородное поле сил инерции от однородного поля тяготения. Аналогия между силами тяготения и силами инерции лежит в основе принципа эквивалентности сил инерции и гравитационных сил (принципа эквивалентности Эйнштейна): все физические явления в поле тяготения происходят так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряженности обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а остальные начальные условия для рассматриваемых тел одинаковы. Этот принцип является основой общей теории относительности. Радиоактивность Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение атомных ядер одного химического элемента в ядра атомов другого химического элемента, сопровождаемое радиоактивным излучением. Открытие явления - 1896 г. французский ученый Анри Беккерель при постановке опытов с солями урана. Без каких-либо внешних влияний на уран А. Беккерелем было зарегистрировано неизвестное излучение. В 1898 г. М. Склодовская - Кюри обнаружила излучение тория. а также открыла новые радиоактивные химические элементы полоний и радий. Все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Естественная радиоактивность химических элементов не зависит от внешних условий. В 1899 г. Э. Резерфорд обнаружил, что радиоактивное излучение состоит из двух компонентов, которые он назвал "альфа-лучи" и "бета-лучи". В 1900г. французский физик Ф. Вилард установил, что в состав излучения входят еще и гамма-лучи. Поведение радиоактивного излучения было изучено в магнитном поле. Радиоактивный элемент был помещен в узкий свинцовый стакан, напротив которого размещалась фотопластинка. Вся установка размещалась в вакууме. В отсутствие магнитного поля на фотопластинке было обнаружено в центре одно пятно засветки от излучения. В магнитном поле пучок излучения распался на три. Составляющие отклонялись в Страница 14 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» противоположные стороны: пятно на фотопластинке по середине оставляла составляющая, не имеющая заряда, две другие составляющие радиоактивного излучения отклонялись в противоположные стороны, что доказывало присутствие заряженных частиц в излучении. В результате опыта Э.Резерфорд доказал, что радиоактивное излучение является неоднородным. Альфа-излучение (альфа лучи) - это поток полностью ионизированных ядер атомов гелия. Бета-излучение (бета-лучи) - это поток электронов (или пазитронов). Гаммаизлучение (гамма-лучи) - это электромагнитное излучение. Электромагнитные кванты гамма-излучения не имеют массы покоя и электрического заряда, поэтому при прохождении через вещество они очень слабо взаимодействуют с ядрами и электронами. Их энергия почти не меняется, поэтому гаммаизлучение обладает большой проникающей способностью. Защитой от гамма-излучения является толстый слой свинца. Исследуя ядерные расщепления, французские физики Фредерик Жолио-Кюри (1900—1958) и Ирен Кюри (1897—1955) обнаружили (в 1934 г.), что во многих случаях продукты расщеплений радиоактивны. Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерных реакций, получили название искусственно-радиоактивных в отличие от естественно-радиоактивных веществ, встречающихся в природных минералах. Искусственно-радиоактивные вещества могут получаться при весьма разнообразных ядерных реакциях. Примером может служить реакция захвата нейтронов серебром. Для проведения такой реакции достаточно поместить пластинку серебра поблизости от источника нейтронов, окруженного парафином. В парафине нейтроны замедляются, а медленные нейтроны легко захватываются ядрами и вызывают ядерную реакцию. Пластинка серебра не претерпевает под действием нейтронов никаких видимых изменений. Однако мы легко можем убедиться, что какие-то изменения произошли, если пластинку серебра, подвергавшуюся в течение нескольких минут облучению медленными нейтронами, поднесем к газоразрядному счетчику. Счетчик обнаружит, что пластинка стала радиоактивной, то есть испускает излучение, регистрируемое счетчиком; можно убедиться, что испускаются электроны (b-излучение). При этом обнаруживается, что радиоактивность, приобретенная серебром, постепенно ослабевает, спадая вдвое за каждые 2,3 мин. Таким образом, в обычном серебре образовалось какое-то радиоактивное вещество, обладающее периодом полураспада в 2,3 мин. Вспомогательные эксперименты, равно как и теоретические соображения, показывают, что данная ядерная реакция происходит по схеме При этой реакции испускается ν-излучение. Образующиеся при этом атомы изотопа серебра 108Ag оказываются b-радиоактивными и распадаются, испуская электроны и нейтрино (символ n) и превращаясь в атомы устойчивого изотопа кадмия: (подпись под стрелкой указывает, что период полураспада равен 2,3 мин). Радиоактивность изотопа 108Ag объясняет, почему в природном серебре, представляющем смесь изотопов с массовыми числами 107 и 109, не встречается изотоп с массовым числом 108: такой изотоп обладает малой продолжительностью жизни и распадается практически полностью вскоре после образования. Искусственная радиоактивность — весьма распространенное явление: в настоящее время получено по нескольку искусственно-радиоактивных изотопов для каждого из элементов периодической системы. Общее число известных искусственно-радиоактивных изотопов превышает 1500, тогда как естественно-радиоактивных изотопов существует лишь около 40, а число устойчивых (нерадиоактивных) изотопов равно 260. Страница 15 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Все три типа излучений — a, b и ν характерные для естественной радиоактивности,— испускаются также и искусственно-радиоактивными веществами. Однако среди искусственно-радиоактивных веществ часто встречается еще иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактивным элементам. Это — распад с испусканием позитронов — частиц, обладающих массой электрона, но несущих положительный заряд. По абсолютной величине заряды позитрона и электрона равны. В качестве примера образования позитронно-активного вещества приведем реакцию, открытую Жолио-Кюри: При облучении алюминия a-частицами испускается нейтрон и образуется изотоп фосфора с массовым числом 30. Естественный фосфор содержит только один изотоп с массовым числом 31. Получаемый по приведенной реакции изотоп фосфора 3015P является радиоактивным и распадается с испусканием позитронов (символ е+) и нейтрино по схеме Период полураспада фосфора 3015P равен 2,5 мин; продуктом его распада является устойчивый изотоп кремния 3014Si. 3.1.2. Планы практических занятий Элементы релятивистской механики Цель занятия: 1. Рассмотреть и изучить основы релятивистской механики 2.Показать практическое применение теоретического материала. План занятия: 1. Постулаты специальной теории относительности. 2. Преобразования Лоренца. 3. Относительность одновременности. 4. Длительность события. 5. Длина тела в разных системах отсчета. 6. Релятивистский закон сложения скоростей. 7. Энергия в релятивистской динамики. 8. Релятивистский импульс. Подготовка к занятию (самостоятельная работа): 1. Подготовить доклады по 2-8 вопросам. 2. Изучить постулаты специальной теории относительности Работа в аудитории 1. Выступление докладчиков, обсуждение докладов. 2. Решение задач: 1. На космическом корабле-спутнике находятся часы, синхронизированные до полета с земными. Скорость корабля 7,9 км/с. На сколько отстанут часы на корабле по измерениям земного наблюдателя по своим часам за время 0,5 года? 2. Частица движется со скоростью 0,5с. Во сколько раз релятивистская масса частицы больше массы покоя? 3. С какой релятивистской скоростью движется частица, если ее релятивистская масса в три раза больше массы покоя? 4. Полная энергия тела возросла на 1 Дж. На сколько при этом изменилась масса тела? 5. Электрон летит со скоростью 0,8с. Определить кинетическую энергию электрона. 6. При какой скорости кинетическая энергия частицы равна ее энергии покоя? 7. Определить импульс частицы, если ее кинетическая энергия равна энергии покоя. Домашнее задание: 1. Решение задач Литература Страница 16 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» 1. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / Волькенштейн В.С. – М: Наука, 1985. 2. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Академия, 2006. 3. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Высшая школа, 2000. Физическая кинетика Цель занятия: 1. Рассмотреть и изучить основы физической кинематики молекулярной физики. 2.Показать практическое применение теоретического материала. План занятия: 1. Средняя длина свободного пробега. 2. Общие представления о явлениях переноса. 3. Основные законы явлений переноса. 4. Разряженные газы и их свойства. Подготовка к занятию (самостоятельная работа): 1. Подготовить доклады по 1-4 вопросам. Работа в аудитории 1. Выступление докладчиков, обсуждение докладов. 2. Решение задач: 1. Определить плотность разряженного водорода, если средняя длина свободного пробега молекул равна 1 см. 2. Определить среднюю продолжительность свободного пробега молекул кислорода при температуре 250 К и давлении 100 Па. 3. Диффузия кислорода при 00С равна 0,19 см2/с. Определить среднюю длину свободного пробега молекул кислорода. 4. Определить среднюю длину свободного пробега молекул азота при условии, что его динамическая вязкость 17 мкПа с. 5. Определить теплопроводность гелия при нормальных условиях. Домашнее задание: 3. Решение задач Литература 1. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / Волькенштейн В.С. – М: Наука, 1985. 2. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Академия, 2006. 3. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Высшая школа, 2000. Термоэлетрчество Цель занятия: 1. Рассмотреть и изучить основы термоэлектричества. 2.Показать практическое применение теоретического материала. План занятия: 1. Контактная разность потенциалов. 2. Эффект Зебека. 3. Эффекты Пельтье и Томсона. 4. Термоэлектрические явления в анизотропных средах. 5. Термоэлектрические приборы. Подготовка к занятию (самостоятельная работа): 1. Подготовить доклады по 1-4 вопросам. 2. Изучить устройство термопары. Работа в аудитории 1. Выступление докладчиков, обсуждение докладов. 2. Изготовление термопары 3. Демонстрация явления термоЭДС 4. Решение задач: 1. Термопара медь-константан с сопротивлением 5 Ом присоединена к гальванометру, сопротивление которого 100 Ом. Один спай термопары погружен в тающий лед, другой – Страница 17 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» в горячую жидкость. Сила тока в цепи 37 мкА. Постоянная термопары 43 мкВ/К. Определить температуру жидкости. 2. Сила тока в цепи, состоящей из термопары с сопротивлением 80 Ом, равна 26 мкА при разности температур спаев, равной 500С. Определить постоянную термопары. Домашнее задание: 1. Решение задач Литература 1. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / Волькенштейн В.С. – М: Наука, 1985. 2. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Академия, 2006. 3. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Высшая школа, 2000. Элементы современной физики атома Цель занятия: 1. Рассмотреть и изучить основы современной физики атома. 2.Показать практическое применение теоретического материала. План занятия: 1. 1s-состояние электрона в атоме водорода. 2. Системы тождественных частиц. 3. Молекулярные спектры. 4. Комбинационное рассеивание света. Подготовка к занятию (самостоятельная работа): 1.Подготовить доклады по 2-4 вопросам. 2. Изучить теорию вопроса 1s-состояние электрона в атоме водорода и ответить на вопросы: - какое состояние электрона в атоме называют 1s-состоянием? - какой вид уравнение Шредингера описывает данное состояние атома водорода? - как определяется энергия атома в данном состоянии? - какова волновая функция для электрона в 1s-состоянии? Работа в аудитории 1. Выступление докладчиков, обсуждение докладов. 2. Обсуждение вопросов теории 1s-состояние 3. Решение задач: 1. Электрон находится в потенциальном ящике шириной 0,5 нм. Определить наименьшую разность энергетических уровней электрона. 2. Частица в потенциальном ящике находится в основном состоянии. Какова вероятность нахождения частицы в средней трети ящика; в крайней трети ящика? 3. Найти момент импульса двухатомной молекулы, соответствующий низшему возбужденному состоянию. Домашнее задание: 1.Решение задач Литература 1. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / Волькенштейн В.С. – М: Наука, 1985. 2. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Академия, 2006. 3. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Высшая школа, 2000. Радиоактивность. Ядерные реакции Цель занятия: 1. Рассмотреть и изучить основы радиоактивного распада и ядерных реакций. 2.Показать практическое применение теоретического материала. План занятия: 1. Радиоактивность, ее разновидности. 2. Цепная ядерная реакция. 3.Ядерная энергетика. 4. Ядерные реакторы. 5. Ядерная энергетика и экологические проблемы. Страница 18 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Подготовка к занятию (самостоятельная работа): 1.Подготовить доклады по 1-5 вопросам. Работа в аудитории 1. Выступление докладчиков, обсуждение докладов. 2. Решение задач: 1. Период полураспада радиоактивного нуклида равен 1 ч.Определить среднюю его продолжительность жизни. 2. Активность препарата уменьшилась в 250 раз. Скольким периодам полураспада равен этот промежуток времени? 3.Определить электрическую мощность атомной электростанции, расходующей 0,1 кг урана-235 в сутки, если кпд станции 16%. Домашнее задание: 1.Решение задач Литература 1. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / Волькенштейн В.С. – М: Наука, 1985. 2. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Академия, 2006. 3. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики / Т.И. Трофимова – М.: Высшая школа, 2000. 3.1.3. Вопросы для самопроверки Вопросы для самопроверки по содержанию семинарских занятий помещены в планах занятий. 3.2.Организация самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов по спецсеминару определена в планах семинарских занятий, а также заключается в написании зачетных рефератов. Сроки проверки результатов самостоятельной работы студентов связаны с расписанием аудиторных занятий. Форма организации отчетности по самостоятельной работе студентов – выступление с докладами на занятиях, индивидуальная беседа, защита рефератов. 3.3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины Основная литература Основная: 1. Грабовский, Р.И. Курс физики/ Р.И. Грабовский – С-Пб.:Лань, 2008. – http://vk.com/doc41508733_260033087 2. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский – М.: Высшая школа, 2010. – 62 экз 3. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Академия, 2002, 2006. – 32 экз. Электронный ресурс 62 экз. 32 экз. Дополнительная литература Дополнительная: 1. Ермакова, Е.В. Лабораторный практикум по курсу общей физики (механика) / Е.В. Ермакова, В.Г. Гурова – Ишим: Изд-во ИГПИ, 2007. – 75 экз. 75 экз. ЭОР 1. vesti-nauka.ru 2. lenta.ru/science 3. www.wikiznanie.ru 4. www.medluse.ru 5. fizika.ayp.ru 6. hezadrot.ru 7. www.twirpx.com 8. www.termiona.ru Страница 19 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Программное обеспечение 1. Microsoft Excel, Word, Access и т.п. 3.4. Методические рекомендации для преподавателя Для освоения спецсеминара по физике «Избранные вопросы физики» используются знания, умения и виды деятельности, сформированные в процессе изучения дисциплин «Физика», «Теоретическая физика». Знания, умения и личностные качества будущего специалиста, формируемые в процессе изучения спецсеминара, будут использоваться в дальнейшем при прохождении педагогических практик в учебных учреждениях и дальнейшей профессиональной деятельности. 3.5. Методические рекомендации студенту Студенту следует помнить, что спецсеминар «Избранные вопросы физики» предусматривает обязательное посещение студентом лекций и практических занятий. Она реализуется через систему аудиторных и домашних работ, систему рефератов. Самостоятельная работа студентов заключается в самостоятельных подготовках к практическим занятиям, в выполнении домашних заданий, в написании рефератов. Контроль над самостоятельной работой студентов и проверка их знаний проводится в виде выступлений с докладами, решение задач, при индивидуальной беседе, защите рефератов. IV. Материалы входного, текущего и итогового контроля 4.1. Входной контроль – контрольная работа (образец) 1. Движение частицы массы m=10,0 г рассматривается в системе отсчета, вращающейся относительно инерциальной системы с угловой скоростью ω=10,0 рад/с. Какую работу А совершают над частицей силы инерции при перемещении ее из точки, отстоящей от оси вращения на расстояние R1=1,00 м, в точку, отстоящую на расстояние R2=2,00 м? 2. Фотонная ракета движется относительно Земли со скоростью v=0,6 c. Во сколько раз замедлится ход времени в ракете с точки зрения земного наблюдателя? 3. Какая доля радиоактивных ядер кобальта, период полураспада которых 71,3 дня, распадется за месяц? 4.2. Текущий контроль - темы рефератов (вариативный комплекс) 1. История открытия и изучения термоэлектричества 2. Жизнь и деятельность А.Ф. Иоффе 3. Физические приборы на основе термопар 4. Полупроводниковые термоэлектрические материалы 5. Термоэлектрические генераторы 6. Термоэлектричество на космических станциях. 7. Полупроводниковые датчики теплового потока 8. Термоэлектрические холодильники 9. Термоэлектричество в медицине 10.Физика в романе Гр. Адамова «Тайна двух океанов» 11. Динамическая нестабильность. 12. Туннельный эффект. 13.Оболочечная модель ядра 14. Г.Галилей и тайны движения 15.Закон взаимосвязи массы и энергии 4.3. Итоговый контроль – контрольная работа (образец) 1. В К-системе отсчета мю-мезон, движущийся со скоростью v = 0,990 c, пролетел от места своего рождения до точки распада расстояние l = 3,0 км. Определить: Страница 20 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» а) собственное время жизни этого мезона; б) расстояние, которое пролетел мезон в К-системе с "его точки зрения". 2. Частица с массой покоя m0 и кинетической энергией T налетает на покоящуюся частицу с той же массой покоя. Найти массу покоя и скорость составной частицы, образовавшейся в результате соударения. 3. Газ заполняет пространство между двумя длинными коаксиальными цилиндрами, радиусы которых R1 и R2, причем R1 < R2. Внутренний цилиндр неподвижен, а внешний вращают с достаточно малой угловой скоростью ω. Момент сил трения, действующих на единицу длины внутреннего цилиндра, равен N1. Найти коэффициент вязкости η газа, имея в виду, что сила трения, действующая на единицу площади цилиндрической поверхности радиуса r, определяется формулой σ = ηr (∂ω/∂r). 4. Какой эффект Зеемана (простой, сложный) обнаруживают в слабом магнитном поле спектральные линии, обусловленные следующими переходами: а) 1P → 1S; б) 2D5/2 → 2P3/2; в) 3D1 → 3P0; г) 5I5 → 5H4? 5. Свободное покоившееся ядро Ir191 с энергией возбуждения Е = 129 кэВ перешло в основное состояние, испустив γ-квант. Вычислить относительное изменение энергии γкванта, возникающее в результате отдачи ядра. 6. Сколько нейтронов будет в сотом поколении, если процесс деления начинается с N0 = 1000 нейтронов и происходит в среде с коэффициентом размножения k = 1,05? V. Терминологический минимум 5.1. Основные термины и понятия курса Активность источника радиоактивного излучения – скалярная физическая величина, характеризующая скорость распада. Альфа-распад – радиоактивный распад с образование альфа-частицы. Бета-распад - радиоактивный распад с образование электрона (позитрона). Вязкость – свойство жидкости и газа оказывать сопротивления движению одной их части относительно другой. Гамма-распад - радиоактивный распад с образование гамма – квантов. Диффузия – проникновение молекул одного вещества в другое при соприкосновении. Комбинационное рассеяние света – рассеяние света веществом, сопровождающееся изменением частоты рассеиваемого света. Коэффициент размножения – величина равная отношению числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. Критическая масса – минимальная масса вещества , необходимая для цепной реакции. Молекула – наименьшая частица вещества, состоящая из атомов. Молекулярный спектр – спектры излучения (поглощения), возникающие при квантовых переходах между энергетическими уровнями молекул. Период полураспада – время за которое распадается половина от существующих ядер. Радиоактивность – самопроизвольное деление ядер в другие ядра с испусканием различных частиц. Сила Кориолиса – силы возникающая в результате вращения Земли. Специальная теория относительности – теория, описывающая физические явления в инерциальных системах отсчета. Тождественные частицы – частицы с одинаковыми характеристиками. Эффект Зеемана – расщепление в магнитном поле энергетических уровней атомов, приводящее к расщеплению спектральных линий в спектре. Ядерная реакция – превращение ядер в другие ядра под действием других ядер или частиц. Страница 21 из 23 Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляющая цепная реакция. Лист регистрации изменений и дополнений № раздела, подраздела, Дата Основание (№, Дата пункта, подпункта, к введения дата приказа) внесения которому относится изменения изменения Страница 22 из 23 Подпись лица, внесшего изменение Рабочая программа спецсеминара «Избранные вопросы физики» изменение Страница 23 из 23