ЭЛЕКТРИЧЕСТВО – 18 часов лекций

Приложение 3.1.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физический факультет
СОГЛАСОВАНО
Декан геологического факультета
И.В. Булдаков
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета
А.С. Чирцов
"___" ____________200 г.
"___"____________200 г.
_________________
(подпись)
__________________
(подпись)
Принята на заседании кафедры
Общей физики 2
Протокол № __ от 20 марта 2000 г.
________________________
Заведующий кафедрой,
профессор В.И. Коротков
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ЕН.03 – “Общая физика”
По направлению – 511000 и
По специальности - 013100
Разработчик:
доцент кафедры общей физики 2, канд. физ.-мат. наук
А.В. Бармасов
Рецензент:
профессор, докт.физ.-мат.наук, заведующий кафедрой общей физики 1
И.Ч. Машек
Санкт-Петербург
2000
2
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
1. Организационно-методический раздел
1.1.
Цель изучения дисциплины:
Обучение студентов наиболее общим свойствам и формам движения материи и
методам современного физического исследования; формирование у студентов
доказательного, логического мышления; подготовка к аналитическому восприятию
других естественнонаучных дисциплин.
1.2.
Задачи курса:
Изучение основных разделов классической и квантовой физики; формирование
навыков самостоятельной постановки и решения задач и проведения экспериментов,
отбора необходимых теоретических и технических средств для проведения
исследования, а также осмысление полученных результатов с
современных
естественнонаучных теоретических позиций; обеспечение базы для применения
физических методов в геологических и экологических исследованиях.
1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника:
Дисциплина “Общая физика” является базовой в естественнонаучной подготовке
профессионального геолога и эколога и служит основой для изучения других
естественнонаучных дисциплин.
1.4.
Требования к уровню освоения дисциплины ЕН.03 – “Общая физика”:
- знать содержание дисциплины “Общая физика” и иметь достаточно полное
представление о возможностях применения её разделов в различных областях
геологии и экологии;
- уметь корректно ставить задачи по изучению геологических и экологических
объектов и систем с применением современных физических методов
исследований;
- иметь практические навыки работы с современной физической аппаратурой при
проведении геологических и экологических исследований.
2. Объём дисциплины, виды учебной работы, форма текущего,
промежуточного и итогового контроля
Всего аудиторных занятий
159 часов (18 ECTS Credits)
из них:
- лекций
107 часов (12 ECTS Credits)
- практические (лабораторные) занятия
52 часа (6 ECTS Credits)
Самостоятельная работа студента (в том числе на рефераты) 221 час
Итого (трудоёмкость дисциплины)
380 часов
Изучение дисциплины по семестрам:
1 семестр: лекции – 39 часов (5 ECTS Credits), практические занятия – нет
1 реферат, экзамен
2 семестр: лекции – 68 часов (7 ECTS Credits), практические занятия – нет
1 реферат, экзамен
3 семестр: лекции - нет, практические (лабораторные) занятия – 52 часа (6 ECTS Credits)
зачёт
Изучение дисциплины по разделам:
Механика – 18 часов лекций
Колебания и волны – 4 часа лекций
Молекулярная физика и термодинамика - 17 часов лекций
Электричество - 18 часов лекций
3
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
Магнетизм и электромагнитные явления – 18 часов лекций
Оптика и квантовая физика - 16 часов лекций
Атомная и ядерная физика - 12 часов лекций
Физический практикум – 52 часа
3. Содержание дисциплины
3.1.1. Темы дисциплин, их краткое содержание и виды занятий
Семестр 1
МЕХАНИКА С ОСНОВАМИ НЕБЕСНОЙ МЕХАНИКИ И
РЕЛЯТИВИСТСКОЙ МЕХАНИКИ – 18 часов лекций
Предмет физики. Физика и геология, геофизика, экология. Механика. Материальная точка и системы
материальных точек как объекты классической механики. Свойства пространства и времени. Физические
измерения. Размерность. Системы единиц. Скалярные и векторные величины. Умножение вектора на
скаляр. Произведение векторов. Двойные произведения. Кинематика материальной точки. Системы
отсчёта. Системы координат. Движение в механике. Перемещение. Траектория, путь. Скорость. Ускорение.
Равнопеременное поступательное движение. Криволинейное движение. Нормальное и тангенциальное
ускорения. Угловая скорость, угловое ускорение. Инерциальные системы отсчёта. Принцип инерции,
принципы относительности. Первый закон Ньютона. Сила. Основные силы в классической механике.
Второй закон Ньютона. Масса. Импульс. Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса. Законы
Кеплера. Солнечная система. Закон всемирного тяготения. Гравитационные силы. Гравитационная и
инертная массы, их эквивалентность. Чёрные дыры. Гравитационное поле Земли. Сила тяжести. Вес.
Невесомость. Космические скорости. Космические исследования. Геоид. Потенциал гравитационного поля.
Аномалии ускорения силы тяжести. Принципы гравиразведки. Упругие силы. Деформации, предел
упругости. Растяжение, сжатие, сдвиг. Закон Гука. Модули Юнга и сдвига. Силы трения покоя, скольжения
и качения. Движение жидкости. Уравнение Бернулли. Вязкое трение; вязкость. Закон Стокса. Число
Рейнольдса. Неинерциальные системы отсчёта. Силы инерции. Перегрузки. Центробежная сила инерции.
Зависимость веса тела от широты местности. Центрифуги и их применение в научных исследованиях. Сила
Кориолиса. Движение тела с переменной массой. Реактивное движение; уравнение Мещерского; формула
Циолковского. Работа силы. Мощность. Энергия. Закон сохранения и превращения энергии. Кинетическая
и потенциальная энергии. Консервативная система. Энергия сжатой или растянутой пружины.
Центральный удар. Упругое и неупругое соударения двух тел. Деформации горных пород и закон
сохранения и превращения энергии. Центр масс системы материальных точек. Абсолютно твёрдое тело.
Поступательное, вращательное и плоское движения. Вращательное движение абсолютно твёрдого тела
вокруг неподвижной оси. Момент инерции. Момент импульса. Момент силы. Законы сохранения при
вращательном движении. Теорема Штейнера. Гироскоп. Специальная теория относительности. Движение
тел с околосветовой скоростью. Преобразования Лоренца. Понятие одновременности. Релятивистское
сокращение продольных размеров тела. Релятивистское замедление времени. Релятивистский закон
преобразования скорости. Релятивистский интервал. Релятивистская масса. Релятивистский импульс.
Кинетическая энергия релятивистской частицы. Взаимосвязь энергии и массы.
КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ – 4 часа лекций
Колебания. Смещение и амплитуда. Период и частота. Фаза колебания. Периодические и гармонические
колебания. Линейный осциллятор и его дифференциальное уравнение. Сложение гармонических
колебаний. Математический и физический маятники. Собственные колебания. Затухающие колебания.
Вынужденные колебания. Энергия гармонического колебания. Резонанс. Волны. Фазовая и групповая
скорости волн. Продольные и поперечные волны. Принцип Гюйгенса. Поляризация волн. Волновое
уравнение. Интерференция волн. Стоячие волны. Энергия волны. Звуковые волны. Эффект Доплера.
Принципы локации. Теория «Большого взрыва» и происхождение Вселенной. Сейсмичность Земли.
Сейсмология. Принципы сейсморазведки. Сейсмическая аппаратура. Георадар. Метод общей глубинной
точки. Вибрации.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА – 17 часов лекций
Молекулы, атомы и их массы. Атомная единица массы. Моль и число Авогадро. Агрегатные состояния
вещества. Тепловое движение молекул. Параметры термодинамического состояния. Идеальный газ.
Давление, объём. Уравнение состояния. Равновесное и неравновесное состояния. Температура, нулевое
4
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
начало термодинамики. Экспериментальные газовые законы. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Степени
свободы. Термодинамические процессы; графическое изображение процессов. Направленные процессы.
Примеры термодинамических процессов. Внутренняя энергия. Циклические процессы. Работа и теплота;
первое начало термодинамики. Теплоёмкость идеального газа; закон Джоуля; физический смысл
универсальной газовой постоянной; формула Майера; энтальпия термодинамической системы.
Молекулярно-кинетический смысл теплоёмкости CV; теплоёмкости одноатомных и многоатомных газов.
Отношение теплоёмкостей. Адиабатический процесс; уравнение Пуассона. Политропический процесс.
Обратимые и необратимые термодинамические процессы. Тепловые машины. Цикл Карно. Приведённая
теплота; теорема Клаузиуса для обратимого и необратимого круговых процессов. Энтропия. Второе начало
термодинамики. Статистический смысл энтропии. Энтропия в обратимых и необратимых адиабатических
процессах. Закон возрастания энтропии. Границы применимости второго начала термодинамики, «Тепловая
смерть» Вселенной. Термодинамические потенциалы. Третье начало термодинамики (Теорема Нернста).
Распределение молекул идеального газа по скоростям при тепловом движении в замкнутой системе
(распределение Максвелла). Средняя, среднеквадратичная и наиболее вероятная скорости молекул, и их
связь с температурой. Экспериментальные проверки распределения Максвелла. Распределение частиц по
объёму в замкнутой системе и в силовом поле. Барометрическая формула. Распределение частиц по
энергиям (распределение Больцмана). Распределение Максвелла-Больцмана. Явления переноса; длина
свободного пробега. Теплопроводность. Внутреннее трение (вязкость). Диффузия. Общее уравнение для
явлений переноса в идеальном газе. Диффузия в идеальном газе. Внутреннее трение в идеальном газе.
Теплопроводность идеального газа. Вакуум; ультраразреженные газы. Эффузия разреженного газа. Число
Кнудсена. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние
газа. Внутренняя энергия реального газа. Расширение реального газа в вакуум в адиабатических условиях.
Эффект Джоуля-Томсона. Сжижение газов. Закон Дальтона для реальных газов. Общие свойства и строение
жидкостей; тепловое движение и явления переноса в жидкостях. Внутреннее трение. Жидкие кристаллы.
Поверхностные свойства жидкостей. Давление над изогнутой поверхностью. Явления на границе жидкости
и твёрдого тела. Капиллярные явления. Твёрдые тела. Аморфные тела. Поли- и монокристаллы. Типы
кристаллических решёток. Дефекты в кристаллах. Механические свойства твёрдых тел. Теплоёмкость
кристаллических тел. Закон Дюлонга и Пти. Плавление и кристаллизация. Диаграммы состояния; тройная
точка. Геотермическая разведка.
Реферат 1
Экзамен 1
Семестр 2
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО – 18 часов лекций
Электромагнитные взаимодействия, электростатика. Электрические заряды. Закон сохранения зарядов.
Взаимодействие электрических зарядов; закон Кулона. Единицы измерения заряда. Электрическое поле.
Вектор напряжённости электрического поля. Плотности зарядов. Линии напряжённости электрического
поля и их свойства. Принцип суперпозиции электростатических полей; электрический диполь. Вектор
электростатической индукции. Поток индукции. Теорема Гаусса. Примеры использования теоремы Гаусса.
Скачок нормальной составляющей вектора E на заряженной поверхности. Скалярный потенциал; работа
сил электростатического поля. Разность потенциалов, абсолютный электрометр. Связь потенциала с
напряжённостью. Потенциал в простейших электрических полях. Дипольный момент молекулы. Полярные
и неполярные молекулы. Вектор электрической поляризации неполярного диэлектрика. Диэлектрические
восприимчивость и проницаемость. Поляризация полярных диэлектриков во внешнем электростатическом
поле. Электростатическое поле на границе двух диэлектриков. Энергия поляризованного диэлектрика.
Кристаллические диэлектрики. Изотропный и анизотропный кристаллические диэлектрики.
Сегнетоэлектрики. Пироэлектрики. Пьезоэлектрики. Электреты, термоэлектреты, фотоэлектреты.
Классическая модель проводника. Модель металла Друде-Лоренца. Опытная проверка электронного
характера проводимости металлов. Опыты Рике и Стюарта-Толмена. Электроёмкость проводника.
Конденсаторы. Ёмкость простых конденсаторов. Размерность абсолютной диэлектрической проницаемости
в СИ. Энергия заряженного конденсатора. Соединения конденсаторов. Энергия электрического поля
неподвижных зарядов. Электрический ток. Сила и плотность тока. Удельное электрическое сопротивление
и проводимость. Закон Ома. Закон Джоуля-Ленца. Вывод законов Ома и Джоуля-Ленца по классической
теории электропроводности металлов. Закон Видемана-Франца. ЭДС. Сторонние источники ЭДС и
внутреннее сопротивление источника ЭДС. Законы Ома для замкнутой цепи. Электрический ток в
электролитах. Электролиз. Законы Фарадея. Электрический ток в газах: самостоятельный,
несамостоятельный и искровой разряды. Явления на границе металл-вакуум. Электрический ток в вакууме.
Закон Богуславского-Ленгмюра (закон трёх вторых). Электровакуумные приборы. Диод. Триод.
5
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
Вольтамперные характеристики. Правила Кирхгофа для разветвлённых электрических цепей.
Компенсационный метод измерения ЭДС. Биоэлектричество. Электрические свойства горных пород.
Диэлектрическая проницаемость горных пород. Поляризуемость пород. Принципы электроразведки.
Классификация методов электроразведки. Электрическое профилирование. Вертикальное электрическое
зондирование. Электрический каротаж. Метод заряда.
МАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ – 18 часов лекций
Магнетизм. Магнитное поле. Магнитное взаимодействие токов. Магнитная постоянная. Напряжённость
магнитного поля. Закон Био-Савара-Лапласа. Силовые линии магнитного поля. Вихревой характер
магнитного поля. Магнитный момент кольцевого тока. Тороид. Соленоид. Вектор потока магнитной
индукции. Электромагнитная индукция. Закон Ленца, самоиндукция и взаимная индукция. Энергия
магнитного поля. Сила Ампера; гипотеза Ампера о намагничивании вещества. Закон Ампера и его
применения. Магнитная проницаемость вещества. Диамагнетики. Парамагнетики. Ферромагнетики; точка
Кюри. Магнитострикция. Магнитное поле одиночного движущегося заряда. Движение одиночного заряда в
электрическом и магнитном полях; сила Лоренца. Фокусировка электронных пучков. Экспериментальное
определение заряда и массы электрона. Масс-спектрограф. Эффект Холла. Переменный ток. Законы
переменного тока. Мощность переменного тока. Скин-эффект; токи смещения. Трансформатор. Взаимные
превращения электрических и магнитных полей. Теория Максвелла. Электромагнитные колебания в
контуре. Электромагнитные волны. Поток электромагнитной энергии и вектор Умова-Пойнтинга. Опыты
Герца. Шкала электромагнитных колебаний. Основы радио. Техническое использование магнитного
потока. Генераторы. Альтернативные источники электрической энергии. Двигатели синхронные и
асинхронные. Электродинамические сейсмографы. Магнитная запись информации. Затруднения
классической электронной теории. Статистика Ферми-Дирака. Зонная теория твёрдого тела; Фермиэнергия. Полупроводниковые диоды, транзисторы. Явления на границе двух металлов. Внутренняя и
внешняя контактные разности потенциалов. Термоэлектричество и его применение. Явления Пельтье и
Томпсона. Магнитосфера; естественное электромагнитное поле Земли. Полярные сияния.
Электромагнитное загрязнение окружающей среды. Магниторазведка. Магнитотеллурический метод.
Метод магнитовариационного зондирования. Аэромагниторазведка.
ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА – 16 часов лекций
Основные понятия оптики. Плоские линейно поляризованные электромагнитные волны в однородном
изотропном безграничном диэлектрике. Оптический диапазон частот. Отражение и преломление света на
границе двух диэлектриков. Законы Снелля. Полное внутреннее отражение света. Дисперсия света
нормальная и аномальная. Групповая скорость света. Электронная теория дисперсии. Оптическая призма.
Монохроматор. Простейший спектрофотометр. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Рассеяние
света. Закон Рэлея. Волновые свойства света. Интерференция света. Когерентность источников света.
Образование интерференционной картины для двух одинаково поляризованных волн. Опыт Юнга.
Бипризма Френеля. Интерференция при отражении от тонкой пластины. Полосы равной толщины и равного
наклона. Кольца Ньютона. Поляризация света. Поляризация света при отражении; угол Брюстера. Двойное
лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Оптическая ось кристалла. Одноосные
кристаллы. Построение Гюйгенса. Поляроиды. Закон Малюса. Формулы Френеля. Оптическая активность.
Искусственное двойное лучепреломление. Ячейка Керра. Оптические свойства минералов. Длина и время
когерентности. Оптические квантовые генераторы. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Дифракция сферических волн на круглых экране и отверстии. Зоны Френеля. Дифракция Фраунгофера в
параллельных лучах. Дифракционная решётка. Спектрофотометр. Тепловое излучение. Излучательная и
поглощательная способности. Равновесное излучение. Абсолютно чёрное тело. Закон излучения РэлеяДжинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Формула Планка. Законы Стефана-Больцмана и Вина. Фотоэффект.
Опыты Столетова. Формула Эйнштейна. Вольтамперная характеристика. Красная граница фотоэффекта.
Вторичная электронная эмиссия. Давление света. Опыты Лебедева. Фотохимические явления. Природный
фотосинтез. Фотография. Фотохромизм. Люминесценция. Спектрофлуориметр. Физика рентгеновского
излучения. Тормозное и характеристическое излучения. Спектроскопия рентгеновских лучей. Закон Мозли.
Дифракция
рентгеновских
лучей.
Условие
Брэгга-Вульфа.
Рентгеноструктурный
анализ.
Спектрохимический рентгеновский анализ. Биологическое действие рентгеновского излучения. Эффект
Комптона. Оптоэлектроника. Основы голографии.
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА – 12 часов лекций
Атомные единицы. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда и классическая планетарная модель атома.
Затруднения классической модели. Постулаты Бора. Опыт Франка-Герца. Атом Бора-Зоммерфельда.
Магнетон Бора. Спектры излучения водородоподобных атомов. Излучение и поглощение энергии атомом.
Опыт Штерна-Герлаха. Спин электрона. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Дифракция
6
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
электронов. Принцип неопределённости Гейзенберга. Волновые функции. Уравнение Шрёдингера.
Квантовые числа и Принцип Паули. Электронные оболочки атома и периодическая система элементов
Менделеева. Открытие нейтрона. Общая характеристика атомного ядра; изотопы и изобары. Химические
символы элементов. Дефект массы; энергия связи. Модели ядра. Радиоактивность; альфа-, бета-, гаммаизлучения. Основные виды радиоактивного распада. Взаимодействие радиоактивных излучений с
окружающей средой; образование и аннигиляция электронно-позитронных пар; частицы и античастицы.
Радиоактивность горных пород и руд. Принципы обнаружения ионизирующих излучений. Газовые
ионизационные методы регистрации: ионизационная камера, пропорциональный счётчик и счётчик
Гейгера-Мюллера. Сцинтилляционные детекторы ионизирующего излучения. Авторадиография и метод
толстослойных фотоэмульсий. Камера Вильсона и пузырьковая камера. Основные характеристики
некоторых элементарных частиц. Космическое излучение. Ядерные реакции; закон сохранения в ядерных
реакциях. Механизм ядерной реакции (модель составного ядра). Характеристики интенсивности
протекания ядерной реакции. Реакции деления. Реакции синтеза (термоядерные реакции). Реакции деления
ядер урана. Цепная реакция. Ядерное топливо. Ядерный и термоядерный взрывы. Атомная энергетика.
Дозиметрия. Радиоактивное датирование. Ядерная геофизика. Радиоэкология. Радиобиология.
Реферат 2
Экзамен 2
3.2. Лабораторный практикум – 52 часа
СПИСОК
работ лабораторного физического практикума, предлагаемых для выполнения студентами
геологического факультета в рамках курса общей физики.
Механика
3
Маятник Обербека
4
Определение ускорения свободного падения при помощи физического оборотного маятника и
нахождение его момента инерции
5
Определение модуля Юнга по растяжению проволоки
6
Определение модуля сдвига по кручению
7
Определение модуля сдвига круглого стержня методом крутильных колебаний
Молекулярная физика и термодинамика
8
Определение универсальной газовой постоянной методом изохорического нагревания
9
Определение отношения теплоёмкостей газов
10
Определение отношений теплоёмкостей газов методом стоячей волны
12
Определение удельной теплоты плавления льда и изменение энтропии в процессе плавления
13
Изучение зависимости температуры кипения воды от давления
14
Градуировка термопары медь-константан по реперным точкам и определение коэффициента
термоЭДС для данной пары металлов
15
Градуировка термопары медь-константан по термометру и определение коэффициента термоЭДС
для данной пары металлов
16
Определение коэффициента теплопроводности плохих проводников тепла
17
Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса
21
Определение коэффициента линейного и объёмного расширения поликристаллических тел при
нагревании
7
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
Электричество (Постоянный ток)
31
Измерение сопротивления проводников с помощью моста постоянного тока. Определение
удельного сопротивления проводников
32
Определение ЭДС и напряжений компенсационным методом
33
Определение ёмкостей конденсаторов и ЭДС гальванических элементов при помощи
баллистического гальванометра
34
Изучение закономерностей прохождения электронов в вакууме. Закон трёх вторых. Определение
удельного заряда электрона
35
Изучение трёхэлектродной лампы
Магнетизм и электромагнитные явления (Переменный ток)
42
Исследование переменного тока промышленной частоты. Определение индуктивности катушек и
ёмкости конденсаторов. Проверка закона Ома для цепи переменного тока
43
Исследование цепей переменного тока с активными и индуктивными сопротивлениями. Построение
векторных диаграмм
44
Измерение ёмкостей конденсаторов с помощью моста переменного тока
45
Измерение индуктивностей катушек с помощью моста переменного тока
46
Изучение работы однофазного трансформатора
47
Резонанс напряжений в цепях переменного тока
48
Определение коэффициента мощности однофазного переменного тока и построение треугольников
мощностей
50
Изучение свойств ферромагнитных веществ с помощью электронного осциллографа
Изучение полупроводников
52
Изучение физических свойств полупроводниковых термочувствительных резисторов
53
Изучение фотопроводимости полупроводников
54
Изучение фотоэлектрических свойств железоселенового фотоэлемента
55
Исследование эффекта Холла в полупроводниках
56
Определение ширины запрещённой зоны полупроводника по краю собственного поглощения
Оптика
71.1
Кольца Ньютона
71.2
Дифракционная решётка
72.1
Ультразвуковой интерферометр
72.2
Дифракция света на ультразвуковых волнах
73.1
Исследование вращения плоскости поляризации
73.2
Закон Малюса
74.1
Изучение фраунгоферовой дифракции монохроматического света на щели
74.2
Изучение свойств индуцированного излучения оптического квантового генератора
8
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
3.3
Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной
работы







законы сохранения и их связь со свойствами пространства и времени;
молекулярно-кинетический смысл температуры;
потенциальные поля, связь потенциала и напряженности поля;
взаимосвязь электрических и магнитных полей, теория Максвелла;
правила отбора в спектроскопии, их физический смысл;
лазеры, нелинейная оптика;
радиоуглеродный метод.
3.4. Курсовые работы
Раздел 3.4 в данной программе отсутствует.
3.5. Рефераты
Рефераты являются необходимыми условиями для допуска к соответствующему экзамену. Студент должен
быть готов к беседе на экзамене по теме своего реферата. Темы рефератов должны соответствовать разделам
или подразделам Программы курса для соответствующего семестра. Предпочтение должно отдаваться темам,
отражающим роль физики в решении задач геологии или экологии. Предпочтительный объём реферата должен
быть эквивалентен 10-15 страницам печатного текста. Допускаются рефераты объёмом до 25-30 страниц. Иные
объёмы реферата должны быть предварительно согласованы с преподавателем. Реферат должен содержать
список использованной литературы.
Реферат должен представлять собой краткое изложение и собственный анализ содержания научной (научнопопулярной) литературы по теме. В реферате обязательно должны быть приведены физические принципы,
лежащие в основе описываемого явления, метода или устройства. Уровень изложения материала должен
соответствовать уровню требований, предъявляемых к студентам СПбГУ. Целями работы над рефератами
является подготовка к написанию собственных научных трудов (поэтому желателен стиль курсовой или
дипломной работы), а также приобретение навыков самостоятельной работы.
Примерные темы рефератов:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Электромагнитное поле. Симметрия электрического и магнитного полей.
Теория Максвелла.
Электромагнитные волны, их свойства.
Строение атома и дискретность энергии.
Корпускулярно-волновой дуализм материи.
Энергетические уровни, переходы между ними.
Испускание и поглощение света атомами.
Лазер.
Соотношение неопределённостей Гейзенберга.
Уравнение Шредингера, смысл -функции.
Атомное ядро. Нуклоны.
Энергия связи и дефицит массы.
Цепные реакции.
Атомная бомба, реакторы.
Принцип эквивалентности массы и энергии.
Элементарные частицы и делимость материи.
Физические факторы биосферы.
Физические свойства и действие ультразвука.
Магнитное поле Земли, его изменения и влияние на жизнь.
Магнитные бури и здоровье.
Электромагнитные (антропогенные) поля и жизнь.
3.6. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу
9
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
Семестр 1
Механика, колебания и волны.
1.
Предмет физики. Физика и геология, геофизика, экология. Механика. Материальная точка.
Свойства пространства и времени. Физические измерения. Размерность. Системы единиц.
Скалярные и векторные величины. Умножение вектора на скаляр. Произведение векторов.
Двойные произведения.
2.
Кинематика материальной точки. Системы отсчёта. Системы координат. Движение в механике.
Перемещение. Траектория, путь. Скорость. Ускорение. Равнопеременное поступательное
движение. Криволинейное движение. Нормальное и тангенциальное ускорения. Угловая скорость,
угловое ускорение.
3.
Инерциальные системы отсчёта. Принцип инерции, принципы относительности. Первый закон
Ньютона. Сила. Основные силы в классической механике.
4.
Второй закон Ньютона. Масса. Импульс. Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса.
5.
Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения. Гравитационные силы. Гравитационная и
инертная массы, их эквивалентность.
6.
Гравитационное поле Земли. Сила тяжести. Вес. Невесомость. Космические скорости.
7.
Геоид. Потенциал гравитационного поля. Аномалии ускорения силы тяжести. Принципы
гравиразведки.
8.
Упругие силы. Деформации, предел упругости. Растяжение, сжатие, сдвиг. Закон Гука. Модули
Юнга и сдвига.
9.
Силы трения покоя, скольжения и качения. Движение жидкости. Уравнение Бернулли. Вязкое
трение; вязкость. Закон Стокса. Число Рейнольдса.
10. Неинерциальные системы отсчёта. Силы инерции. Перегрузки. Центробежная сила инерции.
Зависимость веса тела от широты местности. Сила Кориолиса.
11. Движение тела с переменной массой. Реактивное движение; уравнение Мещерского; формула
Циолковского.
12. Работа силы. Мощность. Энергия. Закон сохранения и превращения энергии. Кинетическая и
потенциальная энергии. Консервативная система. Энергия сжатой или растянутой пружины.
13. Центральный удар. Упругое и неупругое соударения двух тел. Центр масс системы материальных
точек. Абсолютно твёрдое тело. Поступательное, вращательное и плоское движения.
Вращательное движение абсолютно твёрдого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции.
Момент импульса. Момент силы.
14. Колебания. Смещение и амплитуда. Период и частота. Фаза колебания. Периодические и
гармонические колебания. Линейный осциллятор и его дифференциальное уравнение. Сложение
гармонических колебаний.
15. Математический и физический маятники. Собственные колебания. Затухающие колебания.
Вынужденные колебания. Энергия гармонического колебания. Резонанс.
16. Волны. Фазовая и групповая скорости волн. Продольные и поперечные волны. Принцип
Гюйгенса. Поляризация волн. Волновое уравнение. Интерференция волн. Стоячие волны. Энергия
волны. Звуковые волны.
17. Эффект Доплера. Принципы локации. Теория «Большого взрыва» и происхождение Вселенной.
Сейсмичность Земли. Сейсмология. Принципы сейсморазведки. Вибрации.
Молекулярная физика и термодинамика.
10
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
1.
Молекулы, атомы и их массы. Атомная единица массы. Моль и число Авогадро. Агрегатные
состояния вещества. Тепловое движение молекул. Параметры термодинамического состояния.
Идеальный газ. Давление, объём. Уравнение состояния. Равновесное и неравновесное состояния.
2.
Температура. Экспериментальные газовые законы. Уравнение Менделеева-Клапейрона.
Степени свободы.
3.
Термодинамические процессы; графическое изображение процессов. Направленные процессы.
Примеры термодинамических процессов.
4.
Внутренняя энергия. Циклические процессы. Работа и теплота; первое начало термодинамики.
5.
Теплоёмкость идеального газа; закон Джоуля; физический смысл универсальной газовой
постоянной; формула Майера; энтальпия термодинамической системы. Молекулярно-кинетический
смысл теплоёмкости CV; теплоёмкости одноатомных и многоатомных газов. Отношение
теплоёмкостей.
6.
Адиабатический процесс; уравнение Пуассона. Политропический процесс. Обратимые и
необратимые термодинамические процессы. Тепловые машины. Цикл Карно. Приведённая теплота;
теорема Клаузиуса для обратимого и необратимого круговых процессов.
7.
Энтропия. Второе начало термодинамики.
8.
Статистический смысл энтропии. Энтропия в обратимых и необратимых адиабатических
процессах. Закон возрастания энтропии. Границы применимости второго начала
термодинамики, «Тепловая смерть» Вселенной. Теорема Нернста.
9.
Распределение молекул идеального газа по скоростям при тепловом движении в замкнутой
системе (распределение Максвелла). Средняя, среднеквадратичная и наиболее вероятная
скорости молекул, и их связь с температурой. Экспериментальные проверки распределения
Максвелла.
10. Распределение частиц по объёму в замкнутой системе и в силовом поле. Барометрическая формула.
Распределение частиц по энергиям (распределение Больцмана).
11. Явления переноса; длина свободного пробега. Теплопроводность. Внутреннее трение (вязкость).
Диффузия. Общее уравнение для явлений переноса в идеальном газе. Вакуум; ультраразреженные
газы. Число Кнудсена.
12. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое
состояние газа. Внутренняя энергия реального газа. Расширение реального газа в вакуум в
адиабатических условиях.
13. Эффект Джоуля-Томсона. Сжижение газов. Общие свойства и строение жидкостей; тепловое
движение и явления переноса в жидкостях. Внутреннее трение. Поверхностные свойства жидкостей.
Давление над изогнутой поверхностью. Явления на границе жидкости и твёрдого тела.
Капиллярные явления.
14. Твёрдые тела. Аморфные тела. Поли- и монокристаллы. Типы кристаллических решёток. Дефекты
в кристаллах. Теплоёмкость кристаллических тел. Закон Дюлонга и Пти. Плавление и
кристаллизация. Диаграммы состояния; тройная точка.
Семестр 2
Электричество.
1.
Электромагнитные взаимодействия, электростатика. Электрические заряды. Закон сохранения
зарядов. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Единицы измерения заряда.
2.
Электрическое поле. Вектор напряжённости электрического поля. Плотности зарядов. Линии
напряжённости электрического поля и их свойства. Принцип суперпозиции электростатических
полей; электрический диполь.
3.
Вектор электростатической индукции. Поток индукции. Теорема Гаусса.
11
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
4.
Примеры использования теоремы Гаусса.
5.
Скалярный потенциал; работа сил электростатического поля. Разность потенциалов, абсолютный
электрометр. Связь потенциала с напряжённостью. Потенциал в простейших электрических полях.
6.
Классические модели диэлектрика и проводника. Опытная проверка электронного характера
проводимости металлов. Электроёмкость проводника. Конденсаторы. Ёмкость простых
конденсаторов. Размерность абсолютной диэлектрической проницаемости в СИ. Энергия
заряженного конденсатора. Соединения конденсаторов. Энергия электрического поля.
7.
Дипольный момент молекулы. Полярные и неполярные молекулы. Вектор электрической
поляризации. Диэлектрические восприимчивость и проницаемость.
8.
Кристаллические диэлектрики. Изотропный и анизотропный диэлектрики. Сегнетоэлектрики.
Пьезоэлектрики.
9.
Электрический ток. Сила и плотность тока. Закон Ома. Опыты Мандельштама и Папалекси.
Удельное электрическое сопротивление и проводимость.
10. Закон Ома в дифференциальной форме. Закон Джоуля-Ленца. ЭДС. Сторонние источники ЭДС и
внутреннее сопротивление источника ЭДС. Законы Ома и Джоуля-Ленца для замкнутой цепи.
11. Электрический ток в электролитах. Электролиз. Законы Фарадея.
12. Электрический ток в газах: самостоятельный, несамостоятельный и искровой разряды.
Электрический ток в вакууме. Закон Богуславского-Ленгмюра (закон трёх вторых).
Электровакуумные приборы. Явления на границе металл-вакуум. Диод. Триод. Вольтамперные
характеристики.
13. Правила Кирхгофа для разветвлённых цепей. Компенсационный метод измерения ЭДС.
Магнетизм, электромагнитные явления, оптика и квантовая физика.
1.
Магнетизм. Магнитное поле. Магнитное взаимодействие токов. Магнитная постоянная.
Напряжённость магнитного поля. Закон Био-Савара-Лапласа. Силовые линии магнитного поля.
Вихревой характер магнитного поля. Магнитный момент кольцевого тока.
2.
Работа сил магнитного поля. Работа при перемещении замкнутых постоянных токов в магнитном
поле.
3.
Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Сила Лоренца.
Экспериментальное определение заряда и массы электрона. Фокусировка электронных пучков.
Масс-спектрограф.
4.
Электромагнитная индукция. Закон Ленца. Самоиндукция и взаимная индукция. Энергия
магнитного поля.
5.
Гипотеза Ампера о магнетизме. Магнитная проницаемость вещества. Силы и момент сил,
действующие на рамку с током в магнитном поле.
6.
Диамагнетики. Парамагнетики.
зондирования земной коры.
7.
Переменный ток. Законы переменного тока. Мощность переменного тока. Скин-эффект. Токи
смещения. Трансформатор.
8.
Взаимные превращения электрических и магнитных полей. Теория Максвелла. Электромагнитные
колебания в контуре. Вибратор Герца. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных
колебаний.
9.
Основы радио. Техническое использование магнитного потока. Генераторы. Альтернативные
источники электрической энергии. Электрические двигатели. Электродинамические сейсмографы.
Ферромагнетики.
Точка
Кюри.
Частотные
методы
12
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
10. Затруднения классической электронной теории. Статистика Ферми-Дирака. Уровни энергии
электронов для одиночного атома и системы атомов. Граница Ферми. Средняя энергия электронов и
объяснение аномалии теплоёмкости. Полупроводниковые диоды, транзисторы.
11. Явления на границе двух металлов. Внутренняя и внешняя контактные разности потенциалов.
Термоэлектричество и его применение. Явления Пельтье и Томпсона.
12. Магнитосфера. Полярные сияния. Естественное электромагнитное поле Земли. Электромагнитное
загрязнение окружающей среды. Магниторазведка.
13. Основные понятия оптики. Плоские линейно поляризованные электромагнитные волны в
однородном изотропном безграничном диэлектрике. Оптический диапазон частот. Отражение и
преломление света на границе двух диэлектриков. Законы Снелля. Полное внутреннее отражение
света. Дисперсия света нормальная и аномальная. Групповая скорость света.
14. Оптическая призма. Монохроматор. Простейший спектрофотометр. Поглощение света. Закон
Бугера-Ламберта-Бера. Рассеяние света. Закон Рэлея.
15. Волновые свойства света. Интерференция света. Когерентность источников света. Образование
интерференционной картины для двух одинаково поляризованных волн.
16. Опыт Юнга. Бипризма Френеля. Интерференция при отражении от тонкой пластины. Полосы
равной толщины и равного наклона. Кольца Ньютона. Цвета тонких плёнок.
17. Интенсивность света. Поляризация света. Поляризация света при отражении; угол Брюстера.
Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Оптическая ось кристалла.
Одноосные кристаллы. Главная плоскость. Поляроиды. Закон Малюса.
18. Построение Гюйгенса для одноосных кристаллов. Пластинки 1/4 и 1/2 волны. Оптическая
активность. Искусственное двойное лучепреломление. Ячейка Керра.
19. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция сферических волн на круглых экране и
отверстии. Зоны Френеля.
20. Дифракция Фраунгофера в параллельных лучах. Дифракционная решётка. Спектрофотометр.
21. Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способности. Равновесное излучение.
Абсолютно чёрное тело. Закон излучения Рэлея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Формула
Планка. Законы Стефана-Больцмана и Вина.
22. Фотоэффект. Опыты Столетова. Формула Эйнштейна. Вольтамперная характеристика. Красная
граница фотоэффекта. Вторичная электронная эмиссия.
23. Давление света. Опыты Лебедева. Фотохимические явления. Природный фотосинтез. Фотография.
Люминесценция. Спектрофлуориметр.
24. Физика рентгеновского излучения. Тормозное и характеристическое излучения. Спектроскопия
рентгеновских лучей. Закон Мозли. Дифракция рентгеновских лучей. Условие Брэгга-Вульфа.
Рентгеноструктурный анализ. Эффект Комптона.
Атомная и ядерная физика.
1.
Атомные единицы. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда и классическая планетарная
модель атома. Затруднения классической модели. Постулаты Бора. Опыт Франка-Герца. Атом
Бора-Зоммерфельда.
2.
Магнетон Бора. Спектры излучения водородоподобных атомов. Излучение и поглощение энергии
атомом. Опыт Штерна-Герлаха. Спин электрона.
3.
Корпускулярно-волновой дуализм материи. Дифракция электронов. Принцип неопределённости
Гейзенберга. Волновые функции. Квантовые числа и Принцип Паули.
4.
Электронные оболочки атома и периодическая система элементов Менделеева.
13
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
5.
Открытие нейтрона. Общая характеристика атомного ядра; изотопы и изобары. Химические
символы элементов. Дефект массы; энергия связи. Модели ядра.
6.
Радиоактивность; альфа-, бета-, гамма-излучения. Основные виды радиоактивного распада.
Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой; образование и аннигиляция
электронно-позитронных пар; частицы и античастицы.
7.
Принципы обнаружения ионизирующих излучений. Газовые ионизационные методы регистрации:
ионизационная
камера,
пропорциональный
счётчик
и
счётчик
Гейгера-Мюллера.
Сцинтилляционные детекторы ионизирующего излучения. Авторадиография и метод
толстослойных фотоэмульсий. Камера Вильсона и пузырьковая камера.
8.
Основные характеристики некоторых элементарных частиц. Космическое излучение.
9.
Ядерные реакции; закон сохранения в ядерных реакциях. Механизм ядерной реакции (модель
составного ядра). Характеристики интенсивности протекания ядерной реакции. Реакции деления.
Реакции синтеза (термоядерные реакции).
10. Реакции деления ядер урана. Цепная реакция. Ядерное топливо. Ядерный и термоядерный взрывы.
11. Атомная энергетика. Ядерная геофизика. Радиоэкология. Радиобиология.
4. Учебно-методическое обеспечение курса
4.1.
Перечень обучающих и контролирующих программ, кино- и видеофильмов:
В лаборатории физического эксперимента для проверки знаний студентов есть система
автоматизированного опроса. По желанию лектора при изложении части тем возможна демонстрация кино- и
видеофильмов в кино-лаборатории университета.
4.2. Активные методы обучения
В данном курсе используются классические аудиторные методы и самостоятельная работа студентов при
обработке лабораторных работ.
4.3.
Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и
контроля
Компьютерный класс, стандартно оборудованные лекционные аудитории.
4.7. Литература
4.7.1. Основная
1.
2.
3.
Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ.мат. лит., 1987.
Лисенков А.А. Международная система единиц СИ.
Бондаренко В.М., Демура Г.В., Ларионов А.В. Общий курс геофизических методов разведки.
4.7.2. Дополнительная
Богуславский М.Г., Широков К.П. Международная система единиц. - М.: Изд-во Комитета
стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1968. – 64 с.
5. Бутиков Е.И. Оптика. - М.: Высшая школа, 1986. – 512 с.
6. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. - М.: Наука, 1972, тт. 1-3.
7. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1977. – 592 с.
8. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. - М.: Высшая школа, 1995. – 463 с. ISBN 5-06-003083-0.
9. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. - М.: Физматгиз, 1963. – 500 с.
10. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. - М.: Наука, 1988. – 432 с. ISBN 5-02013848-7.
11. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1990, тт.1-5. ISBN 5-02-014825-3.
12. Слэттер Дж., Домб К., Томсон Г.П., Брэгг, У.Л. Твёрдое тело. Структура и свойства. - М.: Знание,
1970. – 64 с.
4.
14
© А.В. Бармасов. Общая физика.
Геологический факультет СПбГУ. Дневное отделение.
13. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. - М.: Мир, 1976, тт. 1-9.
[Feynman Richard P., Leighton Robert B., Sands Matthew. The Feynman Lectures on Physics. Reading,
Massachusetts, Palo Alto, London: Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1963.].
14. Фролов Ю.Г., Белик В.В. Физическая химия. - М.: Химия, 1993. – 464 с. ISBN 5-7245-0427-8.
15. Хаин В.Е. Фундаментальные проблемы современной геологии. - М.: Наука, 1994.
16. Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. - М.: Просвещение, 1976. – 320 с.