Физика - Официальный сайт Индустриального института г. Курск

АВТОНОМНАЯ НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
« ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ »
Кафедра математических и естественнонаучных дисциплин
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Б2.Б5 Физика
УТВЕРЖДАЮ:
Проректор по научно – методической
работе__________________М.В.Кузнецова
(подпись, расшифровка подписи)
«__»_________201_ г.
(под
СОЛАСОВАНО:
Заведующий кафедрой математических и
естественнонаучных дисциплин
_______________________Т.Ю.Ходаковская
(подпись, расшифровка подписи)
протокол №_1_от «__»_________201_ г.
Направление подготовки: 09.03.01(230100.62)
Информатика и вычислительная
техника
Профиль подготовки: программное обеспечение вычислительной техники и
автоматизированных систем
Квалификация (степень) выпускника бакалавр
Форма обучения: заочная (ускоренное обучение)
Курск – 201_
1
Составитель: Т.Ю.Ходаковская
Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины базовой части
математического и естественнонаучного цикла студентам заочной (ускоренное обучение)
формы обучения по направлению подготовки 09.03.01(230100.62)
Информатика и
вычислительная техника в 3 - 4 семестре.
Рабочая программа составлена с учетом Федерального государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению
подготовки 09.03.01(230100.62)
Информатика и вычислительная техника,
утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 5
ноября 2009 г. № 553.
Рабочая программа утверждена на заседании кафедры математических
естественнонаучных дисциплин протокол № 1 от «__»_________201_ г.
и
Заведующий кафедрой
математических и естественнонаучных дисциплин
_____________________ Т.Ю.Ходаковская
2
Содержание
Название раздела программы
1
Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю),
соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной
программы
2
Место дисциплины в структуре ООП ВПО
3
Объем дисциплины (модуля) в зачетных единицах с указанием количества
академических часов, выделенных на контактную работу обучающихся с
преподавателем (по видам занятий) и на самостоятельную работу
обучающихся
4
Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам) с
указанием отведенного на них количества академических часов и видов
учебных занятий
5
Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы
обучающихся по дисциплине (модулю)
6
Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
обучающихся по дисциплине (модулю)
7
Перечень основной и дополнительной учебной литературы, необходимой для
освоения дисциплины (модуля)
8
Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
(далее - сеть "Интернет"), необходимых для освоения дисциплины
(модуля)*
9
Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
(модуля)
10
Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении
образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень
программного обеспечения и информационных справочных систем (при
необходимости)
11
Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления
образовательного процесса по дисциплине (модулю)
3
с.
4
5
5
5
32
32
76
76
77
78
79
1 Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю),
соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы
В результате освоения дисциплины обучающийся должен овладеть следующими
знаниями, умениями и навыками:
Коды
Результаты освоения
Перечень планируемых
компетенций
ООП
результатов обучения по
по ФГОС
дисциплине
ОК-1
владеет культурой мышления, Знать: фундаментальные законы
способен к обобщению, анализу, природы и основные физические
восприятию
информации, законы
в
области
механики,
постановке цели и выбору путей термодинамики, электричества и
её достижения
магнетизма, атомной физики;
Уметь: применять математические
методы, физические законы и
вычислительную
технику
для
решения практических задач;
Владеть: навыками практического
применения законов физики.
ОК-10
использует
основные законы Знать: фундаментальные законы
естественнонаучных дисциплин в природы и основные физические
профессиональной деятельности, законы
в
области
механики,
применяет
методы термодинамики, электричества и
математического
анализа
и магнетизма, оптики и атомной
моделирования, теоретического и физики;
экспериментального исследования Уметь:
применять
физические
законы для решения практических
задач;
Владеть:
элементами
функционального анализа
ПК-2
осваивать
методики Знать: физический смысл величин и
использования
программных понятий, уметь пользоваться при
средств
для
решения расчетах системой СИ, применять
практических задач
фундаментальные законы природы и
физические законы для решения
практических задач;
Уметь:
применять
физические
законы для решения практических
задач;
Владеть: физическими приемами,
методами и алгоритмами
решения типовых задач механики,
термодинамики,
электричества и магнетизма, атомной
физики и применять их в
исследовательской и практической
деятельности.
4
2 Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Дисциплина «Физика» относится к базовой части учебного цикла – Б.2
Математический и естественнонаучный цикл.
Освоение обучающимися дисциплины «Физика» опирается на знания, умения и
навыки, приобретенные в результате освоения предшествующих дисциплин:
- Математический анализ;
- Алгебра и геометрия;
Знания, умения и навыки, полученные при освоении дисциплины «Физика»,
являются необходимой для освоения последующих дисциплин:
- ЭВМ и периферийные устройства
3 Объем дисциплины (модуля) в зачетных единицах с указанием количества
академических часов, выделенных на контактную работу обучающихся с
преподавателем (по видам занятий) и на самостоятельную работу обучающихся
Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц (288 часов)
Вид работы
Общая трудоемкость
Аудиторная работа:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа:
Подготовка и сдача экзамена/ зачету
Вид итогового контроля (зачет,
экзамен)
Трудоемкость, часов
3
4
Всего
семестр
семестр
144
144
288
18
12
30
6
6
12
6
6
12
6
6
122
123
245
4
9
13
зачет с оценкой Экзамен Экзамен/зачет
с оценкой
4 Содержание и структура дисциплины (модуля)
4.1 Содержание разделов дисциплины
Таблица 1 - Содержание разделов дисциплины
№
раздел
а
Наименование
раздела
Содержание раздела
5
Форма
текуще
го
контро
ля
1
2
3
4
Введение. Механика. Механическое
движение. ЛР, Т
Кинематика поступательного и
вращательного
движения
материальной точки. Динамика
материальной точки и твердого
тела.
Гравитация.
Законы
сохранения.
Инерциальные
и
неинерциальные системы отсчета.
Специальная
теория
относительности.
Механика
жидкостей и газов. Колебания и
волны.
Термодинамика и
Статистический
и ЛР,ДЗ,
статистическая
термодинамический
методы
Т
физика
исследования. Основное уравнение
молекулярно-кинетической теории
идеальных газов. Температура.
Барометрическая
формула.
Максвелловское
распределение
молекул по скоростям. Внутренняя
энергия. Число степеней свободы.
Первое начало термодинамики.
Применение
первого
начала
термодинамики к изопроцессам.
Круговой процесс. Цикл Карно и
его КПД для идеального газа.
Энтропия и её статистическое
толкование.
Второе
начало
термодинамики. Реальные газы.
Уравнение
Ван-дер-Ваальса.
Изотермы реального газа.
Электростатика
Электростатическое поле. Работа ЛР, ДЗ,
сил электростатического поля.
Т
Напряженность
и
потенциал
электростатического поля. Поток
вектора
напряженности
электрического
поля.
Электроемкость
проводника.
Конденсаторы. Параллельное и
последовательное
соединение
конденсаторов. Плотность энергии
электростатического поля.
Постоянный
Условия
существования ЛР, ДЗ
электрический ток
постоянного тока. Сила тока,
плотность тока. Электродвижущая
сила источника тока. Закон Ома.
Сопротивление проводников. Закон
Ома для неоднородного участка
цепи.
Работа
и
мощность
электрического
тока.
Разветвленные
цепи.
Правила
Кирхгофа.
6
5
Электромагнетизм
6
Волновая оптика
7
Квантовая оптика
8
Атомная физика
9
Физика твердого
тела
Магнитное поле. Закон Био-СавараЛР
Лапласа и его применение для
расчета
магнитных
полей.
взаимодействие проводников с
током. Сила Ампера. вихревой
характер
магнитного
поля.
Циркуляция вектора индукции
магнитного поля. Закон полного
тока. Явление электромагнитной
индукции. Явление самоиндукции
и
взаимоиндукции.
Трансформаторы.
Энергия
магнитного поля. Магнитные
свойства вещества. Природа диа- и
парамагнетизма. Переменный ток.
Закон Ома для переменных токов.
Основные
положения
теории
Максвелла.
Шкала
электромагнитных волн.
Интерференция света. Дифракция ЛР, ДЗ
света.
Принцип
ГюйгенсаФренеля. Дифракционная решетка.
Поляризация света. Естественный
и поляризованный свет. Явление
двойного лучепреломления. Закон
Малюса. Закон Брюстера.
Квантовая природа излучения. ЛР, Т
Тепловое
излучение
и
его
характеристики. Законы излучения
абсолютно
черного
тела.
Фотоэлектрический эффект. Виды
фотоэффекта. Фотоэлементы.
Модели
атома
Томсона
и ЛР, Т
Резерфорда. Опыт Резерфорда по
рассеиванию частиц, Линейный
спектр
атома
водорода.
Обобщенная формула Бальмера.
Постулаты Бора. Спектр атома
водорода по Бору. Квантовые
числа. Физика атомного ядра.
Понятие
о
зонной
теории ЛР, ДЗ
проводимости
твердых
тел.
Проводимость полупроводников;
температурная
зависимость
пполупроводников. Контакт двух
металлов по зонной теории;
термоэлектрические явления и их
применение (явление Зеебека,
явление
Пельтье,
явление
Томсона);
выпрямление
на
контакте металл-полупроводник.
Контакт
электронного
и
7
дырочного полупроводников (р-n
переход);
полупроводниковые
выпрямители;
особенность
вольтамперных
характеристик
полупроводниковых
диодов;
принцип
работы
полупроводникового триода.
4.2 Структура дисциплины
Количество часов
№
раздела
Наименование разделов
1
1
2
2
3
4
5
6
7
8
9
Всего
3
45
48
Механика
Термодинамика и статистическая
физика
Электростатика
Зачет с оценкой:
Итого:
Постоянный электрический ток
Электромагнетизм
Волновая оптика
Квантовая оптика
Атомная физика
Физика твердого тела
Экзамен
Итого:
Всего:
47
4
144
25
23
21
23
22
21
9
144
288
Аудиторная
Внеработа
ауд.
Л/
ПЗ/
ЛР/
работа
интер. интер. интер.
СР
ф
ф
ф
4
5
6
7
2
3/3
40
3/2
2
3/3
40
3
2
6/2
2/2
6
42
6/6
3/1
3/2
122
20
20
20
21
21
21
6/3
12
123
245
1
2/2
1
6/4
12
6
4.3 Лабораторные работы
Лабораторная работа№ 1 по теме: Механика (2 часа)
Реализуемые компетенции: ОК-1, ОК-10, ПК-2
Цель работы - определение параметров колебательной системы – крутильного
маятника с затуханием, колебания которого служат моделью движения во многих задачах
классической и квантовой физики.
Описание экспериментальной установки
8
Крутильный маятник (рис) представляет собой диск, закрепленный на упругой
проволоке, другой конец которой зажат в неподвижном кронштейне. Для получения
значений углов  поворота маятника служит градуированная шкала на диске.
Для проведения измерений диаметра проволоки, диаметра дисков, длины подвеса
служат штангенциркуль и масштабная линейка (указанные параметры установки
могут быть заданы).
При повороте тела, закрепленного на упругом подвесе, на малый угол  происходит
закручивание проволоки. При этом возникает возвращающий момент упругих сил, равный
M  k   ,
(2.1)
где k – коэффициент кручения, зависящий от упругих свойств подвеса.
Используя уравнения динамики вращательного движения для крутильных колебаний,
получаем
I
или
I
где
d 2
dt
d 2
dt 2
M
2
 k  0 ,
(2.2)
(2.3)
I – момент инерции диска.
Учитывая, что круговая частота гармонических колеба-ний определяется как
0 
k
,
m
(2.4)
то из уравнения (2.3) и (2.4) имеем, что частота и пер иод колебаний
крутильного маятника равны соответственно
9
k
I
0 
T
2
,
(2.5)
I
k
 2 
0
.
(2.6)
В реальных колебательных системах (осцилляторах) происходит диссоциация
(рассеяние) запасенной энергии, и свободные колебания со временем затухают. Для учета
процесса рассеяния энергии в дифференциальное уравнение движения (2.3) необходимо
ввести слагаемое, характеризующее силу сопротивления движению:
I
d 2
dt
2
r
d
 k  0 ,
dt
(2.7)
где r – обобщенный коэффи циент сопротивления, который для крутильного
маятника является коэффициентом пропорциональности между тормозящим
 d 

:
 dt 
моментом ( M C ) и угловой скоростью
MC
d
dt
r
.
(2.8)
Решение уравнения (2.7) имеет вид:
   0e

t

cos  t   
(2.9)
где  – постоянная времени зат ухания, показывающая, что амплит уда
колебаний
 t    0 e
уменьшается за время  в e 
Для крутильного маятника
2,7
t

раз.

Частота зат ухающих колебаний

2I
r
10
.
(2.10)
1
   02 
меньше собственной частоты
(2.11)
2

0.
С увеличением момента трения постоянная времени
при

1
0
частота


уменьшается, и
(2.11) становится мнимой, колебания крутильного
маятника прекращаются – движение становится апериодическим. Переход
колебатель -ного движения в апериодическое происходит при условии, когда
 кр 
1
0
.
(2.12)
Энергия колебательного движения изменяется по закон у
E t   E 0  e
 2t
 ,
(2.13)
т.е. энергия осциллятора расходуется на работу против диссипативных сил и
превращается во внутреннюю энергию.
Мощность потерь, т.е. скорость рассеяния энергии, с одной стороны,
Nn  
а с другой, с учетом (2.13),
d  E (t )
,
dt
Nn 
E

.
(2.14)
2
Качество колебательной системы, ее способность сохранять запасенную энергию
характеризуется добротностью Q, которая определяется отношением запасенной энергии
к потерям за время
T 
 ;
2 
Q
E
Nп
1
.
(2.15)

Тогда с учетом (2.14) выражение (2.15) принимает вид:
Q

2

11

T
.
(2.16)
Из (2.16) следует, что добротность колебательной системы равна числ у
колебаний за время  ; причем за это время амплит уда уменьшается в
e  23 раза, а энергия в e 2  535 раз.
Зат ухание колебаний принято
характеризовать логарифмическим
декрементом зат ухания:
  ln
где

1

 (t )
 (t  T )
 T ,
(2.17)
– коэффициент зат ухания колебаний.
Следует отметить, что при малых декрементах зат ухания колебаний
(  1) , т.е. при большой добротности Q осцил-лятора и с учетом (2.16),
добротность равна:
Q

.
2
(2.18)
Порядок выполнения работы
Упражнение 1
1. Измерить диаметр d проволоки подвеса и диаметры D1 и D2 дисков
(штангенцирк улем) и длин у подвеса (линей -кой).
2. Измерить время (t1 ) 20  30 колебаний маятника, по -верн ув диск
приблизительно на 30 . Провести не менее пя -ти таких наблюдений,
рез ультат ы занести в таблиц у 1.
3. Измерить время (t 2 ) 20  30 колебаний маятника с дву-мя дисками.
Провести также не менее пяти экспериментов и рез ультаты занести в
таблиц у 1.
Таблица 1
№ опыта
t 1 , сек
T 1 , сек
1
t 2 , сек
t
. . .
5
среднее
12
T 2 , сек
4. По данным п.п. 2, 3 вычислить периоды колебаний маятника с одним
(T 1 ) и с двумя (T 2 ) дисками. Определить погрешность с доверительной
вероятностью 90%:
T1    t n, ,
где
 – средняя квадратичная ошибка (для T 2 аналогично T2    t n,
).
5. Рассчитать относительные ошибки
ET1 
T1
 T1 
и
ET2 
T2
.
 T2 
Упражнение 2
5. Измерить время зат ухания колебаний маятника
амплитуда
t
(t ) ,
за которое
колебаний уменьшится примерно вдвое, повернув изначально
диск приблизительно на 30(  0 ). Про-вести не менее пяти эксперим ентов
рез ультаты занести в таблиц у 2.
Таблица 2
№ опыта
0,
град
t,
град
t,
сек
1
. . .
5
среднее
6. По данным п. 5 вычислить постоянную времени зат ухания маятника
( ) и погрешность ( ) с доверительной вероятностью 90 .
Так как отклонение маятника отсчитывается от некоторого н улевого
0
положения ( Ф0 ) (в общем случае отличного от н уля), то закон убывания
амплит уды колебаний в соответствии с (2.9) имеет вид:
t

 t  Ф00  ( 0  Ф00 )e  ,
13
 
t
 t  Ф00
ln
 0  Ф00
.
(2.19)
7. Измерения и вычисления по пп. 5,6 повторить для маятника с двумя
дисками.
8.
Оценить
относительный
сдвиг
частоты
(и
периода)
 T


T
,
об условленный зат уханием колебаний (трением). Следует отметить, что при
малом зат ухании:
 02   2  2 0 ,
поэтому согласно формуле (2.11):
2 0 
1

,
2
отк уда
где
0 
2
.
T

1

 2 02 2
,
(2.20)
9. Определить момент инерции ( I M ) маятника из соотно -шения частот
для маятника с одним и двумя дисками. На основании (2.5) имеем:
2
 2 
I  I
   M
,

I
 1
M
(2.21)
IM 
где
1
I   m2 D22
8
I
2
 2 
   1
 1 
,
– момент инерции второго диска, добав -ляемый к
момент у инерции крутильного маятника. Если по п. 8 разница между
14
1
и
2
оказывается пренебрежительно малой, то
тогда расчетная формула (2.21) приме т вид
IM 
где
T1
и
T2
Iд
2
 T2 
   1
 T1 
2
можно заменить на
,
1 ,
(2.22)
определены в п. 4.
10. Найти относительн ую ошибк у
формуле:
4
EI
момента инерции маятника по


 T2 
   ET21  ET22
2
2
T1 
 m2 
 D2 
I

  4
 ,
EI 
 4
 
2
I
m
D
2
 2 
 2 
 (T2 )




1
 T2

 1

где m2 и D2 – систематические ошибки m2 и D2 . Если какое-либо из
слагаемых гораздо больше остальных, будет раз умно при вычислениях
оставлять только его.
11. Рассчитайте абсолютн ую ошибк у
I  E I   I  .
k
12. Определить коэффициент кручения
по формуле (2.6), использ уя
найденные значения момента инерции маятника
T1
IM
в п. 9 (2.22) и периода
в п.4.
13. Рассчитать относител ьн ую ошибк у
k
по формуле:
E k  E I2  4 ET2 ,
где
EI
и
ET
– относительные ошибки момента инерции ма -ятника
IM
и
периода и абсолютную ошибк у r  E r  r . Рез ультат представить в
стандартном виде и округлить с н ужной степенью точности.
14. Использ уя найденные значения постоянной времени затухания в п. 6
и момента инерции маятника в п. 9, можно вычислить обобщенный
коэффициент сопротивления r по формуле (2.10).
15
Определить относительную ошибку
E r  E I2  E2
где
E 


,
– относительная ошибка времени релаксации.
15. Вычислить полную энергию маятника
K 02
E0 
2
и мощность потерь по формуле (2.14) для одного значения амплит уды
Nn 
2E0

.
16. Вычислить относительн ую ошибк у
E эн
  
 Ek2  4 0 
 0 
 0 – систематическая ошибка
ошибк у E 0 , рез ультат округлить.
где
2
,
в определении
0 ,
и аб-солютн ую
17. Вычислить относительн ую ошибк у мощности потерь
2
E N  Eэн
 E2
и абсолютн ую ошибку
N  E N  N .
Значение мощности потерь представить в стандартном виде N  N и
округлить.
18. Определить относительную и абсолютную ошибки доб -ротности
EQ  E2  ET2
и
Q  EQ  Q .
Представить значение добротности в стандартном виде
округлить.
16
Q  Q
и
Контрольные вопросы
1. Дайте определение момента инерции.
2. Выведите момент инерции сплошного диска относительно оси, проходящей через
его центр перпендикулярно плоскости диска.
3. Выведите уравнение крутильных колебаний.
4. Почему амплитуда колебаний крутильного маятника при измерениях его периода
должна быть небольшой?
5. В чем отличие крутильных колебаний от колебаний физического маятника?
Литература
Савельев И.В. Курск общей физики Том 2 Электричество и магнетизм. Волны. Оптика СПб ЛАНЬ 2008
Савельев И.В. Курск общей физики Том 1 Механика. Молекулярная физика - СПб ЛАНЬ
2008
Савельев И.В. Курс общей физики Том 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика
твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц - СПб ЛАНЬ 2008
Лабораторная работа№ 2 по теме: Термодинамика и статистическая физика
(2 часа)
Реализуемые компетенции: ОК-1, ОК-10, ПК-2
Цель работы - знакомство с компьютерной моделью, описывающей поведение молекул
идеального газа; экспериментальное подтверждение распределения Максвелла молекул
идеального газа по скоростям; экспериментальное определение массы молекул в данной
модели.
Краткая теория
ВЕРОЯТНОСТЬЮ Рi получения некоторого результата измерения называется предел
отношения количества измерений, давших этот результат, (Ni) к полному числу
измерений N, когда N  .
ЭЛЕМЕНТАРНОЙ вероятностью dPV при измерении величины
скорости v называется вероятность наличия скорости величиной от v до v + dv. Эта
вероятность пропорциональна приращению скорости dv: dPV = F(v) dv, где коэффициент
пропорциональности F(v) называется ФУНКЦИЕЙРАСПРЕДЕЛЕНИЯ молекул по
величине скорости. Она может быть выражена через другие функции распределения:
F(v) = (vX)(vY)(vZ)4v2 = f(v)4v2 ,
где (vX), (vY) и(vZ) - функции распределения для
соответствующих проекций скоростей молекул, аf(v) - их произведение.
В литературе вы можете найти вывод формул, в частности
.
СРЕДНЯЯ скорость:
,
17
СРЕДНЯЯ квадратичная скорость:
vср.кв =
.
НАИВЕРОЯТНЕЙШЕЙ называется скорость vВЕР, при которой F(v) имеет максимум:
vВЕР =
.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЯ
Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений!
Перед вами компьютерная модель эксперимента. Внимательно изучите модель,
найдите все регуляторы и другие основные элементы. В сосуде, содержащем большое
число молекул, устанавливается статистическое распределение молекул по скоростям,
зависящее от абсолютной температуры – распределение Максвелла. Компьютерная модель
предназначена для изучения равновесного распределения молекул по скоростям. На экран
выводится кривая распределения при заданной температуре и вычисляются
среднеквадратичная
и наиболее вероятная υв скорости. Можно изменять
температуру газа T и наблюдать смещение максимума кривой распределения. Все
молекулы, скорости которых попали в выделенный интервал, окрашиваются в зеленый
цвет. Среднюю скорость молекул, попавших в выделенный интервал, можно изменять,
перемещая интервал по оси скоростей. Можно качественно наблюдать за количеством и
скоростью движения окрашенных молекул. Обратите внимание, что количество зеленых
молекул максимально, когда выделенный интервал скоростей располагается вблизи
максимума кривой распределения. Скорость таких молекул близка с наиболее вероятной
скорости υв.
Внимательно рассмотрите изображение на экране монитора компьютера. Обратите
внимание на систему частиц, движущихся в замкнутом объеме слева во внутреннем окне.
Они абсолютно упруго сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Их количество
около 100 и данная система является хорошей «механической» моделью идеального газа. В
процессе исследований можно останавливать движение всех молекул (при нажатии кнопки
"Стоп", совмещенной с кнопкой "Старт") и получать как бы «мгновенные фотографии», на
которых выделяются более ярким свечением частицы (точки), скорости которых лежат в
заданном диапазоне v вблизи заданной скорости v (т.е., имеющие скорости от v до
v+v). Для продолжения наблюдения движения частиц надо нажать кнопку "Старт".
Запишите в тетрадь значение v, указанное на экране.
ИЗМЕРЕНИЯ
1. Нажмите кнопку "Старт" и стрелочками  и установите температуру Т1 ,
указанную в таблице 1 для вашей бригады. Запишите для нее значение
наивероятнейшей скорости.
2. Установите скорость выделенной группы молекул вблизи минимального заданного
в таблице 2 значения.
18
3. Нажмите клавишу "Стоп" и подсчитайте на «мгновенной фотографии» количество
молекул N, скорости которых лежат в заданном диапазоне v вблизи заданной
скорости молекул v (они более яркие). Результат запишите в таблицу 2.
4. Нажмите кнопку "Старт" и через 10-20 секунд получите еще одну мгновенную
фотографию (нажав кнопку "Стоп"). Подсчитайте количество частиц с заданной
скоростью. Результат запишите в табл.2.
5. Повторите еще 3 раза измерения для данной скорости и результаты запишите в
табл.2.
6. Измените скорость до значения, указанного в табл.2, и сделайте по 5 измерений (как
в пункте 4) для каждой скорости.
7. Установите (как в пункте 1) вторую температуру Т2 из табл.1. Запишите для нее
значение наивероятнейшей скорости.
8. Повторите измерения (по пунктам 2,3,4,5), записывая результат в табл.3,
аналогичную табл.2.
ТАБЛИЦА 1. Примерные значения температуры (не перерисовывать)
Бригада
1
2
3
4
5
6
Т1
160
200
260
300
360
400
Т2
600
640
660
700
740
760
ТАБЛИЦЫ 2,3 Результаты измерений при T = ____ K
v[км/с]=
0.5
1.0
1.5 2.0
2.5
N1
N2
N3
N4
N5
NСР
3.0
7
460
800
3.5
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
1.Вычислите и запишите в таблицы средние значения количества частиц NСР, скорости
которых лежат в данном диапазоне от v до v+v.
2.Постройте на одном рисунке графики экспериментальных и теоретических
зависимостей NСР(v). Теоретические зависимости можно срисовать с экрана монитора
компьютера, подобрав соответствующий масштаб по вертикальной оси ординат.
3. Для каждой температуры определите экспериментальное значение наивероятнейшей
скорости молекул vВЕР.
4.Постройте график зависимости квадрата наивероятнейшей скорости от
температуры
5.По данному графику определите значение массы молекулы
.
6.Подберите газ, масса молекулы которого достаточно близка к измеренной массе
молекулы.
19
7.Запишите ответы и проанализируйте ответы и графики.
Табличные значения
Газ
Масса молекулы 10-27 кг
Водород
3.32
Гелий
6.64
Неон
33.2
Азот
46.5
Кислород
53.12
Вопросы и задания для самоконтроля
1.
2.
3.
4.
5.
Дайте определение вероятности получения некоторого результата измерения.
Дайте определение элементарной вероятности при измерении величины скорости.
Что такое функция распределения?
Как связаны функции распределения величины и проекции скорости?
Каковы особенности графика функции распределения скоростей молекул идеального
газа?
Литература
Савельев И.В. Курск общей физики Том 2 Электричество и магнетизм. Волны. Оптика СПб ЛАНЬ 2008
Савельев И.В. Курск общей физики Том 1 Механика. Молекулярная физика - СПб ЛАНЬ
2008
Савельев И.В. Курс общей физики Том 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика
твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц - СПб ЛАНЬ 2008
Лабораторная работа№ 3 по теме: Электростатика (2 часа)
Реализуемые компетенции: ОК-1, ОК-10, ПК-2
Цель работы - получение графического изображения электростатических полей,
созданных заряженными телами различной конфигурации, и определение напряженности
электростатического поля в произвольной точке.
Электрическое поле – одна из форм существования материи, посредством
которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел. Поле, созданное
неподвижными электрическими зарядами называется электростатическим.
Электростатическое поле в каждой точке характеризуется вектором напряженности

E

и потенциалом  . Напряженность поля E  векторная физическая величина,
численно равная силе, действующей на единичный пробный положительный заряд,
помещенный в данную точку поля:


F
E
.
q пр.
(1)
Потенциал поля   скалярная физическая величина, численно равная потенциальной
энергии единичного пробного положительного заряда, помещенного в данную точку
поля:
20

W
.
q пр.
(2)
Напряженность
и
потенциал
электростатического поля связаны между
собой соотношением:
E где
d
,
dn
(3)
d
 производная потенциала  по
dn
нормали n к эквипотенциальной поверхности
называется градиентом потенциала, который
также обозначается grad

E  grad .
2
Градиентом потенциала называется вектор, направление которого совпадает с
направлением наибольшего увеличения потенциала, а величина равна изменению
потенциала на единицу длины в направлении наибольшего изменения (рис.1)
Графически
электростатические
поля изображаются с помощью силовых
линий и эквипотенциальных поверхностей.
Силовой линией электростатического поля
или линией напряженности называется
линия, касательная к которой в каждой
точке совпадает с направлением вектора
напряженности (сплошные линии на рис.2)
Эквипотенциальная
поверхность
есть геометрическое место точек равного
потенциала (пунктирные линии на рис. 2)
заряда
q
Силовые
линии
всегда
перпендикулярны
эквипотенциальным
поверхностям.
Действительно, работа dA
сил
электростатического поля по перемещению
по эквипотенциальной поверхности на отрезке dl равна
dA  q  d  0,
так как изменение потенциала
С другой стороны
d  0 .
dA  qEdl cos  ,
21


E и направлением отрезка dl .

dA  0 , qEdl cos   0, E  0, dl  0, следовательно cos  0,
где   угол между направлением вектора
Так как
а
 90 .
Отсюда вытекает, что силовые линии электростатического поля перпендикулярны
к эквипотенциальным поверхностям.
Ортогональность силовых линий и эквипотенциальных поверхностей используется
в данной работе для построения силовых линий электростатического поля по
экспериментально установленному положению эквипотенциальных поверхностей.
Определить положение эквипотенциальных поверхностей можно, измеряя
потенциал электростатического поля в различных точках. Для определения потенциала в
электростатическом поле применяются электрометры. Однако измерение потенциала с
помощью электрометра затруднено, вследствие возмущений, вносимых в поле зондом.
В данной работе для экспериментального исследования электростатического поля
используется моделирование. Моделью электростатического поля является электрическое
поле, возникающее в слабопроводящей среде при помещении в нее электродов, на
которые подается переменное электрическое напряжение от внешнего источника.
Изучение электростатического поля заряженных электродов заменяют изучением
электрического поля в проводящей среде при наличии тока. Такую замену можно сделать
потому, что математическое описание обоих полей тождественно и электрическое поле в
слабопроводящей среде при наличии тока такое же, как электростатическое поле
заряженных электродов до их погружения.
Определение положения точек в проводящей среде, имеющих одинаковый
потенциал, осуществляется с помощью вольтметра (рис.3)
22
1 – ванна, 2 – источник питания, 3 – электроды, 4 – вольтметр, 5 – зонд.
К одной клемме вольтметра (рис.3) подключают зонд, вторую соединяют с одним
из электродов. Перемещая зонд в пространстве между электродами так, чтобы вольтметр
показывал одинаковое значение выбранной разности потенциалов, находят ряд точек с
равным потенциалом.
В данной работе в качестве слабопроводящей среды используется вода.
4
Для получения графической картины электрического поля используется пантограф,
который представляет собой устройство, состоящее из системы рычагов, на одном конце
которого находится зонд, а на другом – пробойник. На листе бумаги, закрепленной на
столе пантографа, пробойником отмечают точки равного потенциала, соединив которые
можно получить эквипотенциальную поверхность, а точнее ее сечение плоскостью
чертежа.
Порядок выполнения работы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Установить в ванне два заранее заданных преподавателем электрода.
На столе пантографа укрепить лист чистой бумаги.
Включить установку в сеть.
Зондом коснуться каждого из электродов в нескольких точках, а пробойником
проколоть лист (точки прокола можно обозначить карандашом). Соединив точки
прокола получить изображения электродов. У каждого нарисованного на листе
бумаги электрода написать соответствующее значение потенциала, определенное с
помощью вольтметра.
Найти 34 эквипотенциальные линии в пространстве между электродами.
Для нахождения каждой линии зонд, опущенный в ванну, перемещать между
электродами так, чтобы вольтметр показывал одинаковое значение выбранной
разности потенциалов. Точки, имеющие одинаковый потенциал, наносить
пробойником на листе бумаги. Соединив их, получить эквипотенциальную линию,
а рядом указать соответствующее
значение потенциала.
Заменить по указанию преподавателя электроды и повторить для них измерения по
пунктам 45. При этом на стол пантографа надо положить чистый лист бумаги.
Построить силовые линии поля, для каждой пары электродов.
Для пары электродов, создающих неоднородное электрическое поле, выбрать две
близкорасположенные эквипотенциальные линии и рассчитать напряженность
поля в любой произвольной точке между ними. Для этого воспользоваться
соотношением
Eгде


разность
потенциалов
d  Δ

,
dt
Δn
между
выбранными
эквипотенциальными

n  вектор нормали к эквипотенциальной поверхности; n
поверхностями;
- расстояние
между эквипотенциалями.
Необходимо учесть, что графическое изображение поля получено с помощью
пантографа в масштабе 1:2.
23
Контрольные вопросы
Какое поле называется электростатическим?
Назовите основные характеристики электростатического поля и дайте их определение.
Что такое линия напряженности и эквипотенциальная поверхность?
Какая существует связь между напряженностью электростатического поля и
потенциалом?
5. Докажите, что силовые линии электростатического поля перпендикулярны к
эквипотенциальным поверхностям.
1.
2.
3.
4.
Литература
Савельев И.В. Курск общей физики Том 2 Электричество и магнетизм. Волны. Оптика СПб ЛАНЬ 2008
Савельев И.В. Курск общей физики Том 1 Механика. Молекулярная физика - СПб ЛАНЬ
2008
Савельев И.В. Курс общей физики Том 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика
твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц - СПб ЛАНЬ 2008
4.4. Практические работы
Практическая работа№1 по теме: Механика (3 часа)
Реализуемые компетенции: ОК-1, ОК-10, ПК-2
Решение задач
Задачи
1. Тело, свободно падающее с некоторой высоты без начальной скорости, за время τ = 1 с
после начала движения проходит путь в n = 5 раз меньший, чем за такой же промежуток
времени в конце движения. Найдите полное время движения.
2. Шайба, брошенная вдоль наклонной плоскости,
скользит по ней, двигаясь вверх, а затем движется
вниз. График зависимости модуля скорости
шайбы от времени дан на рисунке. Найти угол
наклона плоскости к горизонту.
3. Грузы массами M = 1 кг и m связаны лёгкой
нерастяжимой нитью, переброшенной через блок,
по которому нить может скользить без трения (см.
рисунок). Груз массой M находится на
шероховатой наклонной плоскости (угол наклона
плоскости к горизонту α = 30°, коэффициент
трения μ = 0,3). Чему равно максимальное
значение массы m, при котором система грузов
ещё не выходит из первоначального состояния
покоя? Решение поясните схематичным рисунком
с указанием используемых сил.
24
4. Масса Марса составляет 0,1 от массы Земли, диаметр Марса вдвое меньше, чем диаметр
Земли. Каково отношение периодов обращения искусственных спутников Марса и
Земли ТM/ТЗ, движущихся по круговым орбитам на небольшой высоте?
Практическая работа№2 по теме: Термодинамика и статистическая физика (3 часа)
Реализуемые компетенции: ОК-1, ОК-10, ПК-2
1. Легкий незаряженный шарик из металлической фольги подвешен на тонкой шелковой
нити. При поднесении к шарику стержня с положительным электрическим зарядом (без
прикосновения) шарик
1) притягивается к стержню
2) отталкивается от стержня
3) не испытывает ни притяжения, ни отталкивания
4) на больших расстояниях притягивается к стержню, на малых расстояниях
отталкивается
2. Расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшили в 3 раза, а
один из зарядов увеличили в 3 раза. Силы взаимодействия между ними
1) не изменились
2) уменьшились в 3 раза
3) увеличились в 3 раза
4) увеличились в 27 раз
3. К бесконечной горизонтальной отрицательно заряженной
плоскости привязана невесомая нить с шариком, имеющим
положительный заряд (см. рисунок). Каково условие равновесия
шарика, если mg – модуль силы тяжести, Fэ – модуль силы
электростатического взаимодействия шарика с пластиной, Т –
модуль силы натяжения нити?
1) – mg – T + Fэ = 0
2) mg + T + Fэ = 0
3) mg – T + Fэ = 0
4) mg – T – Fэ = 0
– – – – –
+q
4. На рисунке показано расположение двух неподвижных
точечных электрических зарядов + 2q и – q.
Модуль вектора напряженности электрического поля этих
зарядов имеет
1) максимальное значение в точке А
2) максимальное значение в точке В
3) одинаковые значения в точках А и С
4) одинаковые значения во всех трех точках
5. -частица перемещается в однородном электростатическом поле
из точки А в точку В по траекториям I, II, III (см. рисунок). Работа
сил электростатического поля
1) наибольшая на траектории I
2) наибольшая на траектории II
3) одинаковая только на траекториях I и III
4) одинаковая на траекториях I, II и III
25
B
I
A
II
III
Практическая работа№4 по теме: Постоянный электрический ток (3 часа)
Реализуемые компетенции: ОК-1, ОК-10, ПК-2
Решение задач с последующей экспериментальной проверкой.
1.Четыре
резистора
с R1 = 4 Ом, R2 = 6 Ом, R3 = 1 Ом
и R4 = 1 Ом
подключены
последовательно к источнику постоянного тока. Амперметр, включенный в цепь,
показывает 0,5 А.
Какой
ток
покажет
амперметр,
если
отсоединить
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте Ваш ответ.
I=
четвертый
резистор?
А
2.К
источнику
постоянного
тока
6В
подключены
параллельно
три
резистора R1 = 8 Ом, R2 = 2 Ом и R3 = 6 Ом. Какой ток протекает через резисторR1 = 8 Ом?
I=
А
3.В цепь с источником постоянного тока 6 В включены два резистора
с R1 = 5 Ом, R2 = 10 Ом. Вольтметр V1 показывает напряжение 6 В. Определить показания
амперметра и вольтметра V2.
26
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте Ваш ответ.
I=
А
U2 =
В
4. Цепочка из 12 резисторов с сопротивлением R = 1 Ом подключена к источнику
постоянного тока 6 В, как показано на рисунке. Что покажет амперметр?
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте Ваш ответ.
I=
А
5.Три источника тока с ЭДС и внутренним сопротивлением = 3 В, r = 1 Ом, = –
2 В, r = 3 Ом, = –3 В, r = 1 Ом подключены, как показано на рисунке. Определить
показания вольтметра. Проведите компьютерный эксперимент и проверьте Ваш ответ.
27
U=
В
6.Три источника тока с ЭДС и внутренним сопротивлением = 3 В, r = 1 Ом, = –
2 В, r = 3 Ом, = –3 В, r = 1 Ом подключены, как показано на рисунке. Параллельно
третьему источнику тока подключают источник тока = 9 В, r = 2 Ом, Определить
показания вольтметра. Проведите компьютерный эксперимент и проверьте Ваш ответ.
U=
В
7.В цепь с источником постоянного тока 6 В включены два резистора
с R1 = 5 Ом, R2 = 10 Ом. Вольтметр V1 показывает напряжение 6 В. На сколько изменится
показание второго вольтметра, если цепь подключить к источнику постоянного тока 9 В?
28
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте Ваш ответ.
ΔU2 =
В
8.Два одинаковых источника тока с ЭДС = 6 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом
соединены последовательно. На сколько изменится показание вольтметра, подключенного
параллельно между ними, при увеличении внутреннего сопротивления одного из
источников тока доr = 3 Ом? Проведите компьютерный эксперимент и проверьте Ваш
ответ.
ΔU2 =
В
Практическая работа№5 по теме: Электромагнетизм (3 часа)
Реализуемые компетенции: ОК-1, ОК-10, ПК-2
Решение задач
1.Квадратная рамка, изготовленная из тонкого проводника длиной 2 м, помещена в
однородное магнитное поле с индукцией 2 Тл. Силовые линии поля перпендикулярны
плоскости рамки. Определить поток магнитной индукции, пронизывающий рамку.
2.На проводник с током действует со стороны однородного магнитного поля сила
Ампера, равная 4 Н. Определить величину силы Ампера, если силу тока в проводнике
увеличить вдвое, не изменяя его ориентации.
3.Силовые линии однородного магнитного поля пересекают площадку в 0,02 м2 под
прямым углом. Определить модуль вектора индукции магнитного поля, если поток
магнитной индукции, пронизывающий площадку, равен 0,04 Вб.
4.Силовые линии однородного магнитного поля с индукцией 0,3 Тл параллельны
плоскости квадрата со стороной 0,5 м. Определить поток магнитной индукции,
пронизывающий плоскость квадрата.
5.На частицу действует со стороны однородного магнитного поля сила Лоренца,
равная 6 мкН. Определить модуль силы Лоренца, действующей со стороны поля на эту
частицу, если величина ее скорости станет в 2 раза больше, а направление не изменится.
6.Во сколько раз уменьшится энергия магнитного поля катушки, если силу тока
уменьшить на 50 %?
7.Магнитное поле образовано наложением двух однородных полей с индукциями 0,3
Тл и 0,4 Тл, силовые линии которых взаимно перпендикулярны. Определить модуль
вектора магнитной индукции получившегося поля.
29
8.Во сколько раз ЭДС самоиндукции в случае изменения тока в контуре на 6 А за 0,2 с
больше, чем в случае изменения тока в том же контуре на 0,2 А за 6 с?
9.Во сколько раз ЭДС индукции в случае изменения потока магнитной индукции на
0.1 Вб за 5 секунд меньше, чем в случае изменения потока на 5 Вб за 0.1 секунды?
10.Имеются два замкнутых плоских контура площадью 3 см2 и 1.5 см2. Во сколько раз
ЭДС индукции в первом контуре больше ЭДС индукции во втором, если скорости
изменения магнитного потока через единицу площади равны?
11.Частица, заряд которой равен 5 мкКл влетает со скоростью 10 км/с в однородное
магнитное поле с индукцией 1 Тл параллельно линиям индукции. Определить величину
силы Лоренца, действующей на частицу.
12.Поток магнитной индукции, пронизывающий плоскость квадрата со стороной 0,1
м, равен 0,3 Вб. Определить поток магнитной индукции при увеличении стороны квадрата
до 0,2 м без изменения его ориентации. Магнитное поле считать однородным.
13 .Магнитное поле образовано наложением двух однородных полей с индукциями 0,6
Тл и 0,8 Тл, силовые линии которых взаимно перпендикулярны. Определить модуль
вектора магнитной индукции получившегося поля.
14.Трансформатор повышает напряжение с 220 В до 1,1 кВ и содержит 700 витков в
первичной катушке. Сколько витков во вторичной катушке?
15.Протон в магнитном поле с индукцией 0,1 Тл описал окружность радиусом 10 см.
Найти скорость протона. тр= 1,6-10"27 кг, q= 1,610|9Кл.
16.В однородное магнитное поле с индукцией 10 мТл перпендикулярно линиям
индукции влетает электрон с кинетической энергией 10"18 Дж. Каков радиус кривизны
траектории движения электрона в поле, те = 9,1 ■ 10"' кг; тр = 1,67-10 кг.
17.Проводник длиной 0,5 м движется в однородном магнитном поле, имеющем
магнитную индукцию 5-Ю"2 Тл, перпендикулярно силовым линиям со скоростью 2 м/с.
Определить ЭДС индукции.
18.Какой величины ЭДС самоиндукции возбуждается в обмотке электромагнита с
индуктивностью 0.4 Генри при равномерном изменении силы тока в ней на 5 А за 0,02 с?
19.С какой скоростью надо перемещать проводник, длина активной части которого 1
м, под углом 60° к линиям индукции магнитного поля, чтобы в проводнике возбуждалась
ЭДС индукции 1 В? Индукция магнитного поля равна 0,2 Тл.
20.Прямолинейный проводник движется в однородном магнитном поле, имеющем
магнитную индукцию 510"2 Тл, перпендикулярно силовым линиям со скоростью 2 м/с.
Определить длину проводника, если ЭДС индукции составляет 0,1 В.
Литература
Савельев И.В. Курск общей физики Том 2 Электричество и магнетизм. Волны. Оптика СПб ЛАНЬ 2008
Савельев И.В. Курск общей физики Том 1 Механика. Молекулярная физика - СПб ЛАНЬ
2008
Савельев И.В. Курс общей физики Том 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика
твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц - СПб ЛАНЬ 2008
4.5 Самостоятельное изучение разделов дисциплины
№
раздела
Вопросы, выносимые на самостоятельное изучение
Кол-во часов
1
2
3
30
1
2
3
4
5
6
7
8
Силы тяготения; элементы теории поля; закон всемирного
тяготения; поле тяготения и его напряженность; работа в поле
тяготения, потенциал гравитационного поля; связь между
напряженностью и потенциалом гравитационного поля.
Основной закон релятивистской динамики материальной точки;
закон взаимосвязи массы и энергии. Неинерциальные системы
отсчета; силы инерции; центробежные силы инерции; сила
Кориолиса.
Число Авогадро и его опытное определение; опыт Перрена;
длина свободного пробега молекул. Внутренняя энергия; число
степеней свободы молекул; закон равномерного распределения
энергии по степеням свободы. Агрегатные состояния вещества;
реальные газы; уравнение Ван-дер-Ваальса; изотермы
реального газа; критические состояния реального газа.
Электроемкость проводника;
конденсатор; соединение
конденсаторов;
энергия
заряженного
конденсатора.
Диэлектрики в электрическом поле; механизм поляризации
диэлектриков;
поляризуемость,
восприимчивость
и
диэлектрическая
проницаемость
диэлектрика;
вектор
поляризации диэлектриков; диэлектрики в электрическом поле;
электрическое поле в диэлектрике; вектор электрического
смещения; теорема Гаусса для вектора электрического
смещения.
Разветвленные цепи; правила Кирхгофа.
Явление электромагнитной индукции; явление самоиндукции и
взаимоиндукции; вихревые токи; трансформаторы энергия
магнитного поля. Магнитные свойства вещества; магнитные
моменты атомов; вектор намагничивания; вектор магнитной
индукции в веществе; магнитная восприимчивость, магнитная
проницаемость среды; природа диа- и парамагнетизма;
ферромагнетики и их свойства; природа ферромагнетизма.
Шкала электромагнитных волн.
Тонкая линза. Интерференция света при отражении от тонких
пластинок. Интерферометр Майкельсона. Голография.
Законы излучения абсолютно черного тела; ультрафиолетовая
катастрофа
Атомная физика Модели атома Томсона и Резерфорда. Опыт
Резерфорда по рассеиванию частиц, Линейный спектр атома
водорода. Обобщенная формула Бальмера. Постулаты Бора.
Спектр атома водорода по Бору. Квантовые числа. Физика
атомного ядра.
31
40
40
42
20
20
20
21
21
Физика твердого тела Понятие о зонной теории проводимости
твердых тел. Проводимость полупроводников; температурная
зависимость пполупроводников. Контакт двух металлов по
зонной теории; термоэлектрические явления и их применение
(явление Зеебека, явление Пельтье, явление Томсона);
выпрямление на контакте металл-полупроводник. Контакт
электронного и дырочного полупроводников (р-n переход);
полупроводниковые выпрямители; особенность вольтамперных
характеристик полупроводниковых диодов; принцип работы
полупроводникового триода.
9
21
Всего:
245
4.6 Интерактивные
аудиторных занятиях
Семестр
Вид
занятия
(Л, ЛР)
2
Л
ПЗ,ЛР
образовательные
технологии,
используемые
Используемые интерактивные
образовательные технологии
Разминки
материалу
в
Количество
часов
по
пройденному
6
Индивидуальные
задания
с
решениями
творческие
неоднозначными
9
Итого:
15
5 Перечень учебно-методического
обучающихся по дисциплине
обеспечения
для
самостоятельной
работы
Физика. Практикум: Учебное пособие / Г.В. Врублевская, И.А. Гончаренко, А.В.
Ильюшонок. - М.: НИЦ Инфра-М; Мн.: Нов. знание, 2012. - 286 с.-ЭБС.
Атомная физика. Теоретические основы и лабораторный практикум: Уч. пос. / В.Е.Граков,
С.А.Маскевич и др.; Под общ. ред. А.П.Клищенко. - М.: ИНФРА-М; Мн.: Нов. знание,
2011. - 333с. .-ЭБС.
Физика: Лабораторный практикум: Учебное пособие / В.Г. Хавруняк. - М.: НИЦ ИнфраМ, 2013. - 142 с. .-ЭБС.
6 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации
6.1 Контрольные вопросы по дисциплине
Контрольные вопросы по дисциплине для зачета с оценкой
1. Механика и ее разделы. Системы отсчета. Понятие о пространстве и времени. ОК-1
2. Кинематика произвольного движения. Связь между угловыми и линейными
величинами. ОК-1
3. Динамика материальной точки и поступательного движения. Законы Ньютона. Масса.
Сила.ОК-10
4. Импульс. Закон сохранения импульса. Центр масс. ОК-1
5.Сила инерции. Центробежная сила инерции. ПК-2
32
6.Энергия и работа. Мощность. Кинетическая энергия. Консервативные и
неконсервативные силы. Закон сохранения энергии. ОК-1
7.Момент силы. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. ОК-10
8.Закон всемирного тяготения. Гироскопы. ОК-1
9. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции. ПК-2
10.Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Примеры
вычислений момента инерции различных тел. ПК-2
11.Основные положения статистической физики и термодинамики. ОК-10
12.Уравнения состояния идеального газа. Опытные газовые законы. ОК-10
13.Физический смысл давления и температуры. Молекулярно – кинетическая теория. ОК10
14. Распределение Больцмана. Барометрическая формула. ОК-10, ПК-2
15. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли. ПК-2
16.Упругие напряжения. Закон Гука. ПК-2
17.Первое начало термодинамики. Теплоемкость. ОК-1
18.Применение первого начала термодинамики. Цикл Карно. ОК-1,ОК-10
19.Гармонические колебания. Уравнение гармонических колебаний. ОК-1,ОК-10
20.Упругие волны. Механизм волнового движения. ОК-1,ОК-10
21. Электрическое поле в вакууме. Закон Кулона. ПК-2
22.Работа сил электрического поля. Потенциал. ПК-2
23.Поток вектора электрического поля. Теорема Гаусса. ОК-10, ПК-2
24.Условия существования постояннного тока. Сила тока, плотность тока. ОК-10, ПК-2
25.Электородвижущая сила источника тока. Закон Ома в дифференциальной форме. ОК-1,
ПК-2
26.Работа и мощность электрического поля. Закон Джоуля – Ленца в интегральной и
дифференциальной форме. ОК-1, ПК-2
27.Классическая теория электропроводности металлов. ОК-10, ПК-2
28.Магнитное поле, его напряженность и вектор магнитной индукции. ОК-10, ПК-2
29.Закон Био-Саварра – Лапласа и его применения для расчета магнитных полей. ОК-1,
ПК-2
30.Взаимодействие двух проводников с током. Сила Ампера.ПК-2
31.Действие магнитного поля на движущиеся заряды. Сила Лоренца. ОК-10, ПК-2
32.Циркуляция вектора магнитной индукции. Магнитный поток. ОК-10, ПК-2
33.Явление электромагнитной индукции. Явления самоиндукции и взаимоиндукции.
Трансформаторы. ОК-10, ПК-2
34.Вихревой характер магнитного поля. Закон полного тока. ОК-10, ПК-2
35.Собственные затухающие и незатухающие колебания. Закон Ома для переменных
токов. ОК-1, ОК-10, ПК-2
36.Основные положения теории Максвелла. Уравнения Максвелла. ОК-1,ПК-2
37.Ток смещения. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн. ОК-1, ОК-10,
ПК-2
Контрольные вопросы по дисциплине для экзамена
1. Интерференция света. Когерентность волн, оптическая разность хода, разность
фаз.ОК-1
2. Щели Юнга, бипризма Френеля, зеркала Френеля. Интерференция в
тонких
пленках. ОК-10
3. Дифракция света. Принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса – Френеля.ПК-2
4. Дифракция Френеля на отверстии. Метод зон Френеля. ПК-2
5. Дифракционная решетка. Дифракция Фраунгофера. ПК-2
6. Поляризация света. Поляризаторы. Закон Малюса. Закон Брюстера. ПК-2
7. Квантовая природа излучения. Тепловое излучение и его характеристики.
33
8. Фотоэлектрический эффект. ОК-1
9. Масса и импульс фотона. Давление света. ПК-2
10.Поглощение света. Закон Бугера. Понятие о голографии. ПК-2
11.Модели атома Томсона и Резерфорда. Опыты по рассеиванию α- частиц. ПК-2
12 Линейный спектр атома водорода. Обобщенная формула Бальмера. ПК-2
13. Постулаты Бора. Метод квантования орбит по Бору. ОК-10, ПК-2
14. Спектр атома водорода по Бору. ОК-10, ПК-2
15. Корпускулярно – волновой дуализм вещества. Теория Луй-де-Бройля.
Дифракция электронов. ОК-10, ПК-2
16.Соотношение неопределенностей Гейзенберга. ОК-1, ПК-2
17. Волновая функция и её статистический смысл. ОК-10, ПК-2
18. Общее уравнение Шредингера. ПК-2
19. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. ОК-1, ПК-2
20. Движение свободной частицы. ОК-10, ПК-2
21. Частица в одномерной «потенциальной яме» с бесконечно высокими
«стенками». ОК-1, ПК-2
22. Квантовые числа и их физический смысл. ОК-1, ПК-2
23. Атом водорода в квантовой механике. Спектр водорода. ОК-10, ПК-2
24. Спин электрона. Спиновое число. ОК-10, ПК-2
25. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. ОК-1, ПК-2
26. Таблица элементов Д.И.Менделеева. ОК-10, ПК-2
27. Понятие о зонной теории проводимости твердых тел. Деление твердых тел на
металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. ОК-10, ПК-2
28. Собственная и примесная проводимость полупроводников ОК-1, ПК-2
29.Контакт двух металлов по зонной теории. ОК-10, ПК-2
30. Выпрямление на контакте металл – полупроводник. ОК-10, ПК-2
31. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход).
Полупроводниковые
диоды.
Особенность
вольтамперных
характеристик
полупроводникового диода. ОК-10, ПК-2
32. Принцип работы полупроводникового триода. ПК-2
33. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа. Магические
числа. Дефект массы и энергия связи ядра. ОК-10, ПК-2
6.2 Образцы тестов для проведения текущего контроля и промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины, а также для контроля самостоятельной
работы обучающегося
Тест 1. Механика
Задание №1
Задание №2
34
Задание №3
Задание №4
Задание №5
Задание №6
Задание №7
35
Задание №8
Задание №9
Задание №10
Задание №11
Задание №12
Задание №13
Задание №14
36
Задание №15
Задание №16
Задание №17
Задание №18
37
Задание №19
Задание №20
Задание №21
Задание №22
38
Задание №23
Задание №24
Задание №25
Задание №26
39
Задание №27
Задание №28
Задание №29
40
Задание №30
Задание №31
Задание №32
41
Задание №33
Задание №34
Задание №35
42
Задание №36
Тест 2. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика
Задание №1
Задание №2
Задание №3
Задание №4
43
Задание №5
Задание №6
Задание №7
Задание №8
Задание №9
44
Задание №10
Задание №11
Задание №12
Задание №13
45
Задание №14
Задание №15
Задание №16
Задание №17
46
Задание №18
Задание №19
Тест 3. Электричество и магнетизм
Задание №1
Задание №2
47
Задание №3
Задание №4
Задание №5
Задание №6
48
Задание №7
Задание №8
Задание №9
Задание №10
49
Задание №11
Задание №12
Задание №13
50
Задание №14
Задание №15
Задание №16
Задание №17
Задание №18
51
Задание №19
Задание №20
Задание №21
52
Задание №22
Задание №23
Задание №24
53
Задание №25
Задание №26
Задание №27
54
Задание №28
Задание №29
Задание №30
Задание №31
55
Задание №32
Задание №33
Задание №34
56
Тест 4. Колебания и волны
Задание №1
Задание №2
Задание №3
Задание №4
Задание №5
Задание №6
57
Задание №7
Задание №8
Задание №9
Задание №10
58
Задание №11
Задание №12
Задание №13
Задание №14
Задание №15
59
Задание №16
Задание №17
Задание №18
Задание №19
Задание №20
Задание №21
60
Задание №22
Задание №23
Задание №24
61
Тест 5. Волновая и квантовая оптика
Задание №1
Задание №2
Задание №3
Задание №4
Задание №5
62
Задание №6
Задание №7
Задание №8
Задание №9
Задание №10
Задание №11
63
Задание №12
Задание №13
Задание №14
Задание №15
Задание №16
Задание №17
64
Задание №18
Задание №19
Задание №20
Задание №21
65
Тест 6. Квантовая физика и физика атома. Элементы ядерной физики и физики
элементарных частиц.
Задание №1
Задание №2
66
Задание №3
Задание №4
Задание №5
67
Задание №6
Задание №7
Задание №8
Задание №9
Задание №10
68
Задание №11
Задание №12
Задание №13
Задание №14
Задание №15
69
Задание №16
Задание №17
Задание №18
Задание №19
Задание №20
70
Задание №21
Задание №22
Задание №23
Задание №24
Задание №25
71
Задание №26
Задание №27
Задание №28
Задание №29
72
Задание №30
Задание №31
Задание №32
Задание №33
73
Задание №34
Задание №35
Задание №36
Задание №37
74
Задание №38
6.3 Темы рефератов/ учебных проектов
1. Методы определения погрешностей измерений.
2. Определение ускорения свободного падения при помощи прибора Атвуда.
3. Измерение модуля упругости из прогиба.
4. Определение моментов инерции тел (металлических колец) с помощью маятника
Максвелла.
5. Измерение вязкости жидкости по методу Стокса.
6. Определение отношения удельных теплоемкостей воздуха методом адиабатического
расширения.
7. Измерение электроемкости конденсатора методом баллистического гальванометра.
8. Исследование работы источника постоянного тока.
9. Законы Кирхгофа.
10. Измерение элементов земного магнетизма.
11. Определение индукции магнитного поля на оси соленоида.
12. Изучение основной кривой намагничивания ферромагнетика.
13. Определение ускорения свободного падения методом исследования гармонических
колебаний математического маятника
14. Определение момента инерции твердого тела методом крутильных колебаний
15. Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки.
16. Исследование поляризованного света. Закон Малюса.
17. Определение постоянной Стефана-Больцмана и постоянной Планка.
18. Изучение внешнего фотоэффекта.
19. Определение постоянной Ридберга и вычисление энергии ионизации атома водорода.
20. Исследование эффекта Холла в полупроводниках.
6.4 Критерии оценки знаний, умений и навыков
Итоговой формой контроля, знаний, умений и навыков по дисциплине является
экзамен. Экзамен проводится по билетам, которые включают один теоретический вопрос,
один теоретико-практический, и одну задачу.
75
Оценка знаний студентов производится по следующим критериям:
- оценка «отлично» выставляется студенту, если он глубоко и прочно усвоил
программный материал курса, исчерпывающе, последовательно, четко и логически
стройно его излагает, умеет тесно связывать теорию с практикой, свободно справляется с
заданиями и вопросами, причем не затрудняется с ответами при видоизменений заданий,
правильно обосновывает принятые решения, владеет разносторонними навыками и
приемами выполнения практических задач;
- оценка «хорошо» выставляется студенту, если от твердо знает материал курса,
грамотно и по существу излагает его, не допуская существенных неточностей в ответе на
вопрос, правильно применяет теоретические положения при решении практических
вопросов и задач, владеет необходимыми навыками и приемами их выполнения;
- оценка «удовлетворительно» выставляется студенту, если он имеет знания
только основного материала, но не усвоил его деталей, допускает неточности,
недостаточно правильные формулировки, нарушения логической последовательности в
изложении программного материала, испытывает затруднения при выполнении
практических задач;
- оценка «неудовлетворительно» выставляется студенту, который не знает
значительной части программного материала, допускает существенные ошибки,
неуверенно, с большими затруднениями решает практические задачи или не справляется с
ними самостоятельно.
7 Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1 Основная литература
Савельев И.В. Курск общей физики Том 2 Электричество и магнетизм. Волны. Оптика СПб ЛАНЬ 2008
Савельев И.В. Курск общей физики Том 1 Механика. Молекулярная физика - СПб ЛАНЬ
2008
Савельев И.В. Курс общей физики Том 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика
твердого тела. Ф изика атомного ядра и элементарных частиц - СПб ЛАНЬ 2008
7.2 Дополнительная литература
Детлаф А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.М.: Высшая школа,
2000.718 с.
Савельев И.В. Курс общей физики [Текст]: В 5 кн.: Кн. 1,кн. 2,кн. 3, кн. 4, кн.5: Учеб.
пособие для втузов / И.В.Савельев. – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО
«Издательство АСТ», 2003.
Иродов И.Е. Механика. Основные законы. / И.Е.Иродов. – 6-е изд., испр., - М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2003 – 312 с.
Иродов, И.Е. Волновые процессы. Основные законы [Текст]: Учеб. Пособие для
вузов. – М.: Лаборатория Базовых знаний, 2001 – 256 с.: ил.
8. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
(далее - сеть "Интернет"), необходимых для освоения дисциплины (модуля)
№
Интернет-ресурс
2
http://www.vsetabl.ru/
3
http://elementy.ru/lib/lections
4
5
http://elementy.ru
http://mipt.ru/
Краткое описание
Тематический указатель таблиц
Видеозаписи и текстовый материал публичных
лекций известных ученых мира
Энциклопедический сайт
сайт
Московского
физико-технического
76
6
7
8
http://www.imyanauki.ru/
http://physics.nad.ru
http://physics03.narod.ru/
института (государственный университет)
Ученые изобретатели России
Физика в анимациях
Сайт посвящен физике, которая нас окружает
9. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины (модуля)
Общие рекомендации по самостоятельной работе студентов
1. Советы по планированию и организации времени, необходимого для изучения
дисциплины.
При контроле знаний основное внимание уделяется способности студентов
применять полученные знания на практических задачах. Поэтому при самостоятельной
работе студент должен уделять внимание решению задач. Обычно, самостоятельной
работе предшествуют занятия в аудитории.
При решении задач необходимо анализировать те или иные алгоритмы, которые
применялись при решении подобных задач на аудиторных занятиях, пытаться построить
логическую схему доказательства. Если задача сразу не получается, то отложить ее на
некоторое время, рассмотреть другие задачи, но обязательно вернуться и попытаться
решить отложенную задачу попозже. Усвоить материал раздела курса можно только
решив достаточный по объему набор задач по данному разделу. При чтении
теоретического материала необходимо попытаться вникнуть в содержание определений,
попробовать построить собственные примеры на данное определение. Необходимо уметь
связывать различные определения и понятия в одно целое.
Рекомендуется следующим образом организовать время, необходимое для
изучения дисциплины:
Изучение конспекта лекции в тот же день, после лекции – 10-15 минут.
Изучение конспекта лекции за день перед следующей лекцией – 10-15 минут.
Изучение теоретического материала по учебнику и конспекту – 1 час в неделю.
Подготовка к практическому занятию – 1 час.
Всего в неделю – 3 часа 25 минут.
2. Описание последовательности действий студента («сценарий изучения дисциплины»).
При изучении дисциплины «Физика» очень полезно самостоятельно изучать
материал, который еще не прочитан на лекции. Тогда лекция будет гораздо понятнее.
Однако легче при изучении курса следовать изложению материала на лекции. Для
понимания материала и качественного его усвоения рекомендуется такая
последовательность действий:
1. После прослушивания лекции и окончания учебных занятий, при подготовке к занятиям
следующего дня, нужно сначала просмотреть и обдумать текст лекции, прослушанной
сегодня (10-15 минут).
2. При подготовке к лекции следующего дня, нужно просмотреть текст предыдущей
лекции, подумать о том, какая может быть тема следующей лекции (10-15 минут).
3. В течение недели выбрать время (1 час) для работы с литературой по Физике в
библиотеке или сети Интернет.
4. При подготовке к практическим занятиям следующего дня, необходимо
сначалапрочитать основные понятия и теоремы по теме домашнего задания. При
выполнении
упражнения или задачи нужно сначала понять, что требуется в задаче, какой
теоретический материал нужно использовать, наметить план решения задачи. Если это не
дало результатов, и Вы сделали задачу «по образцу» аудиторной задачи, или из
методического пособия, нужно после решения такой задачи обдумать ход решения и
опробовать решить аналогичную задачу самостоятельно.
3. Рекомендации по использованию материалов учебно-методического комплекса.
77
Рекомендуется использовать текст лекций преподавателя. Кроме того, в материалах
УМК представлены примерные варианты проверочных работ, что позволит студенту быть
более готовым к их выполнению на очередном практическом занятии.
4. Рекомендации по работе с литературой. Теоретический материал курса становится
более понятным, когда дополнительно к прослушиванию лекции и изучению конспекта,
изучаются и книги по Физике в библиотеке. Полезно использовать несколько учебников.
Однако легче освоить курс, придерживаясь одного учебника и конспекта. Рекомендуется,
кроме «заучивания» материала, добиться состояния понимания изучаемой темы
дисциплины. С этой целью рекомендуется после изучения очередного параграфа
выполнить несколько простых упражнений на данную тему.
5.Советы по подготовке к экзамену. Прежде всего необходимо ознакомится со списком
экзаменационных вопросов. Затем разбить список на столько равных частей, сколько дней
отведено для подготовки к экзамену. В каждый день подготовки, не отвлекаясь,
необходимо выучить определенное графиком число экзаменационных вопросов. Если
материал не понятен, отметить это место в конспекте закладкой, с целью уточнения у
преподавателя на консультации перед экзаменом. В последний день подготовки
желательно выделить время для повторения выученного материала.
6. Указания по организации работы с контрольно-измерительными материалами, по
выполнению домашних заданий. При выполнении домашних заданий необходимо сначала
прочитать основные понятия и теоремы по теме домашнего задания. При выполнении
упражнения или задачи нужно сначала понять, что требуется в задаче, какой
теоретический материал нужно использовать, наметить план решения задачи. Если это не
дало результатов, и Вы сделали задачу «по образцу» аудиторной задачи, или из
методического пособия, нужно после решения такой задачи обдумать ход решения и
опробовать решить аналогичную задачу самостоятельно.
7. Методические рекомендации по выполнению учебных проектов.
Учебные проекты готовятся студентами индивидуально или небольшими группами по 2-3
человека. По результатам разработки проекта готовится презентация в Microsoft
PowerPoint (10-15 слайдов) и доклад (в пределах 5 минут). На слайды презентации
рекомендуется выносить рисунки, таблицы, схемы, в виде текста только основные
положения доклада.
Студенты выбирают темы учебных проектов согласно порядковому номеру в журнале.
Структура презентации учебного проекта студентов данных специальностей:
титульный лист (1 слайд);
теоретическая часть, раскрывающая суть темы (8-13 слайдов);
заключение, в котором излагаются собственные выводы и предложения
автора (1 слайд).
Защита проекта происходит в форме краткого доклада на занятии и ответов на вопросы
преподавателя и студентов по данному докладу. Критериями оценки учебных проектов
являются оформление, содержание (концептуальность, логичность и конструктивность
работы) и форма подачи (доклад, ответы на вопросы).
10. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении
образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень
программного обеспечения и информационных справочных систем (при
необходимости)
В процессе лекционных и семинарских занятий используется следующее про
граммное обеспечение:
- программы, обеспечивающие доступ в сеть Интернет (например, «Google chrome»);
- программы, демонстрации видео материалов (например, проигрыватель «
Windows Media Player»);
78
- программы для демонстрации и создания презентаций (например, «Microsoft
PowerPoint»).
11. Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления
образовательного процесса по дисциплине (модулю)
1. Компьютерный класс, оснащенный современной техникой (PENTIUM 3,
PENTIUM 4, INTEL CORE 2)
2. LCD – проектор EPSON EMP-X3;
3. Ноутбук ASUS A6RP;
4. Экран для проектора ЭКСКЛЮЗИВ MW 213*213.
79