Физика как фундаментальная наука. Роль физики в становлении инженера. Общая структура и задачи курса.

Механическая система. Материальная точка. Твердое тело. Система отсчета. Число степеней свободы механической системы. Кинематика материальной точки. Перемещение и путь. Скорость и ускорение. Вычисление пройденного пути. Тангенциальное и нормальное ускорения. Кинематика твердого тела. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Угловая скорость и угловое ускорение. Связь между угловыми и линейными кинематическими величинами. Преобразования кинематических величин при переходе из одной системы отсчета в другую.

Причины изменения скорости тела. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Масса и импульс. Второй закон Ньютона. Уравнение движения материальной точки в инерциальной системе отсчета. Третий закон Ньютона. Инвариантность уравнения движения относительно преобразований Галилея. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести и вес. Упругие силы. Силы трения и сопротивления. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции. Уравнение движения материальной точки в неинерциальной системе отсчета. Принцип эквивалентности. Границы применимости ньютоновской механики.

Состояние механической системы. Сохраняющиеся величины. Связь законов сохранения со свойствами пространства и времени. Силы внутренние и внешние. Замкнутая система. Импульс системы. Закон сохранения импульса. Центр масс. Уравнение движения центра масс. Система центра масс. Реактивное движение. Уравнение Мещерского и формула Циолковского. Работа и мощность силы. Кинетическая энергия частицы. Консервативные силы. Понятие силового поля. Потенциальная энергия частицы в силовом поле. Полная механическая энергия частицы. Законы ее изменения и сохранения. Связь между потенциальной энергией и силой поля. Механическая энергия системы. Закон сохранения механической энергии системы. Момент импульса частицы. Момент силы. Пара сил. Уравнение моментов. Момент импульса системы. Закон сохранения момента импульса.

Число степеней свободы твердого тела. Уравнения движения твердого тела. Момент импульса тела относительно оси. Момент инерции тела относительно оси. Теорема Штейнера. Уравнение динамики твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела. Работа внешних сил при вращении твердого тела. Гироскоп. Гироскопический эффект. Прецессия гироскопа. Плоское движение твердого тела.

Общие сведения о колебаниях. Уравнение свободных колебаний под действием квазиупругой силы и его общее решение. Гармонический осциллятор. Энергия гармонического осциллятора. Сложение гармонических колебаний. Физический и математический маятники (малые колебания). Уравнение затухающих колебаний и его решение. Коэффициент затухания. Логарифмический декремент затухания. Добротность. Уравнение вынужденных колебаний и его общее решение. Установившиеся вынужденные колебания. Резонанс. Резонансные кривые.

Распространение волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Фронт волны и волновая поверхность. Плоские, сферические и цилиндрические волны. Скорость волны. Длина волны. Уравнение плоской волны. Волновой вектор и волновое число. Волновое уравнение. Суперпозиция волн. Уравнение плоской стоячей волны. Сферическая волна. Энергия упругой волны. Поток и плотность потока энергии. Вектор Умова. Эффект Доплера для звуковых волн.

Постулаты специальной теории относительности. Синхронизация часов. Понятие события. Преобразования Лоренца и требование релятивистской инвариантности. Релятивистский закон преобразования скорости. Относительность понятия одновременности. Измерение расстояний и промежутков времени. Импульс и энергия релятивистской частицы. Преобразования импульса и энергии. Взаимосвязь энергии и импульса. Энергия покоя. Уравнение движения релятивистской частицы. Преобразование вектора силы при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Законы сохранения энергии и импульса.

Макроскопическая система и ее термодинамическое состояние. Уравнение состояния. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия идеального газа. Уравнение Майера. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. Термодинамический цикл. КПД цикла (тепловой машины). Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Неравенство Клаузиуса. Энтропия системы. Закон возрастания энтропии. Цикл Карно. КПД цикла Карно (идеальной тепловой машины).

Термодинамический и статистический методы исследования. Понятие функции распределения (плотности вероятности) случайной величины. Распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). Средняя, среднеквадратичная и наивероятная скорости молекул. Распределение молекул идеального газа по энергиям. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы. Закон равнораспределения кинетической энергии молекулы по степеням свободы. Внутренняя энергия и теплоемкость идеального газа. Статистический смысл температуры. Уравнение молекулярно-кинетической теории для давления газа. Распределение молекул идеального газа по координатам во внешнем поле (распределение Больцмана). Распределение Максвелла-Больцмана. Макро- и микросостояния термодинамической системы. Статистический вес макросостояния. Статистический смысл энтропии. Энтропия и необратимость. Реальные газы. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Фазовые переходы I и II рода. Критическая точка.

Раздел 2. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, МАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Тема 9. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции сил. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции полей. Напряженность поля точечного заряда и системы зарядов. Поток и дивергенция векторного поля. Теорема Гаусса для электростатического поля (в интегральной и локальной формах). Циркуляция и ротор векторного поля. Теорема о циркуляции вектора напряженности электростатического поля. Безвихревой характер электростатического поля. Потенциал электростатического поля. Связь потенциала и напряженности электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда и системы зарядов. Электрический момент диполя. Момент сил, действующих на диполь в электростатическом поле. Потенциальная энергия диполя в электростатическом поле. Сила, действующая на диполь в неоднородном электростатическом поле.

Диэлектрики. Связанные и сторонние заряды. Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость. Вектор электрического смещения. Диэлектрическая проницаемость. Теорема Гаусса для вектора электрического смещения. Условия на границе двух диэлектриков. Проводники. Проводники в электростатическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение заряда в проводнике. Электроемкость уединенного проводника. Емкость системы проводников. Конденсаторы. Потенциальная энергия системы зарядов. Энергия электростатического поля. Плотность энергии.

Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности. Сопротивление проводника. Закон Ома для однородного проводника. Сторонние силы. ЭДС. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Обобщенный закон Ома в локальной форме. Закон Джоуля-Ленца.

Поле равномерно движущегося заряда. Магнитная индукция B. Сила Лоренца. Принцип суперпозиции полей. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля (в интегральной и локальной формах). Теорема о циркуляции вектора B. Вихревой характер магнитного поля. Сила Ампера. Магнитный момент контура с током. Сила, действующая на контур с током в магнитном поле. Работа сил магнитного поля при перемещении контура с током. Потенциальная механическая энергия контура с током в магнитном поле.

Намагниченность. Токи намагничивания. Циркуляция намагниченности. Вектор напряженности магнитного поля Н. Теорема о циркуляции вектора H. Условия на границе двух магнетиков. Кривая намагничивания. Гистерезис. Остаточная намагниченность. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

Опыты Фарадея. Правило Ленца. Полный магнитный поток (потокосцепление). Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея). Явление самоиндукции. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Взаимная индуктивность. Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля.

Квазистационарные токи. Свободные колебания в контуре без активного сопротивления. Свободные затухающие колебания. Логарифмический декремент затухания. Добротность. Вынужденные электрические колебания. Резонансные кривые для напряжения и силы тока.

Вихревое электрическое поле. Электромагнитное поле. Ток смещения. Уравнения Максвелла. Закон сохранения энергии в электродинамике. Плотность энергии электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга. Преобразования компонент электромагнитного поля при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.

Волновые уравнения для электромагнитной волны. Основные свойства плоской электромагнитной волны. Опыты Герца. Опыт Лебедева. Интенсивность электромагнитной волны. Поведение плоской электромагнитной волны на границе раздела двух сред. Излучение диполя.

Световая волна. Показатель преломления среды. Законы геометрической оптики. Оптическая длина пути. Принцип Ферма. Таутохронность.

Принцип суперпозиции волн. Закон сложения интенсивностей. Интерференция двух волн. Оптическая разность хода. Условия интерференционных максимумов и минимумов интенсивности. Понятие о когерентности. Временная и пространственная когерентность. Время, длина и радиус когерентности. Способы наблюдения интерференции света. Интерференция при отражении от тонких пластинок. Кольца Ньютона. Просветление оптики. Интерферометры.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера. Зоны Френеля. Дифракция Френеля от круглого отверстия. Дифракция Фраунгофера от одной щели и от двух щелей. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей. Формула Брэгга-Вульфа. Рентгеноструктурный анализ. Понятие о голографии.

Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Прохождение света через анизотропную среду (кристаллы). Обыкновенный и необыкновенный лучи (волны). Оптическая ось и главная плоскость кристалла. Дихроизм. Поляризаторы и анализаторы. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Формулы Френеля. Угол Брюстера.

Физическая сущность явления преломления света. Дисперсия света. Групповая скорость. Элементарная теория дисперсии. Поглощение света. Коэффициент поглощения. Закон Бугера. Рассеяние света.

Гипотеза Планка. Теория равновесного теплового излучения. Фотоэффект. Формула Эйнштейна. Эффект Комптона. Модельные представления электромагнитного излучения при его взаимодействии с веществом.

Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Опыты Дэвиссона-Джермера. Неприменимость понятия траектории к микрочастицам. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Задание состояния частицы в квантовой механике: пси-функция и вероятностный смысл её квадрата модуля. Нормировка. Принцип суперпозиции состояний. Пространство состояний микрочастицы.

Понятие оператора в пространстве состояний. Собственные значения и собственные функции операторов. Физический смысл спектра собственных значений оператора, поставленного в соответствие физической величине. Средние значения величин. Операторы радиус-вектора, импульса, момента импульса и полной энергии (оператор Гамильтона) микрочастицы. Собственные значения и собственные функции оператора квадрата момента импульса и проекции момента импульса на координатную ось.

Нестационарное (временное) и стационарное уравнения Шредингера. Стационарные состояния. Частица в одномерной бесконечно глубокой потенциальной яме и трехмерном потенциальном ящике с абсолютно непроницаемыми стенками. Квантование энергии. Гармонический осциллятор (результаты решения). Прохождение частицы через одномерный потенциальный барьер. Туннельный эффект.

Спин. Оператор Гамильтона системы микрочастиц. Тождественные частицы. Симметричные и антисимметричные состояния. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Фазовое пространство. Квантовые статистики Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Сверхпроводимость. Эффект Джозефсона. Высокотемпературная сверхпроводимость. Сверхтекучесть.

Виды взаимодействий и классы элементарных частиц. Частицы и античастицы. Систематика элементарных частиц. Кварки.

Ядерные силы. Масса и энергия связи ядра. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Ядерные реакции. Энергетическая схема ядерной реакции. Пути использования ядерной энергии. Термоядерные реакции синтеза. Термоядерная энергия

Квантовомеханическая модель атома водорода (результаты решения уравнения Шредингера). Квантовые числа электрона в атоме. Квантовые числа орбитального и спинового моментов. Сложение моментов. Результирующий момент многоэлектронной системы. Квантовые числа этого момента. Вырождение уровней. Кратность вырождения. Схема уровней. Правило отбора. Спектральные серии атома водорода. Магнитный момент атома. Атом в магнитном поле. Эффект Зеемана. Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням. Слой и оболочка (оболочка и подоболочка). Периодическая система элементов.

Уравнение Шредингера для простейшей молекулы (молекула водорода). Схема энергетических уровней двухатомной молекулы, их колебательная и вращательная структуры. Комбинационное рассеяние света.

Кристаллическое состояние. Физические типы кристаллических решеток. Теплоемкость кристаллов. Фононы. Взаимодействие излучения с веществом. Спонтанное и вынужденное излучения. Принцип детального равновесия и формула Планка. Лазер (на примере трехуровневой системы). Распределение электронов по энергиям (распределение Ферми-Дирака). Уровень Ферми. Идеальный электронный газ. Электрон в периодическом поле кристалла. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Электропроводность металлов и полупроводников. Контактные явления. Электроны проводимости и дырки. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Типы полупроводников. Физика p-n – перехода. Полупроводниковые диоды и транзисторы.

1. Кинематика материальной точки и твердого тела.

2. Динамика материальной точки.

3. Законы сохранения.

4. Динамика твердого тела.

5. Динамика релятивистской частицы.

6. Механические колебания.

7. Упругие волны.

8. Законы термодинамики.

9. Распределение Максвелла - Больцмана.

10. Электростатическое поле. Теорема Гаусса.

11. Потенциал. Связь напряженности и потенциала.

12. Магнитное поле. Закон Био-Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции.

13. Явление электромагнитной индукции.

14. Электрические колебания.

15. Уравнения Максвелла. Электромагнитные волны.

16. Интерференция света.

17. Дифракция света.

18. Поляризация света.

19. Квантовые свойства электромагнитного излучения.

20. Волновые свойства микрочастиц. Соотношение неопределенностей.

22. Задачи на применение уравнения Шредингера.

23. Многоэлектронные атомы. Периодическая система элементов.

24. Квантовая статистика. Распределение Ферми-Дирака.

25. Зонная теория твердых тел. Тепловые, электрические и магнитные свойства

твердых тел.

26. Ядерные реакции и элементарные частицы.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1) измерение механических величин.

2) определение скорости пули с помощью баллистического маятника;

3) определение момента инерции махового колеса и силы трения в опоре;

4) измерение вращательного движения на приборе Обербека.

5) измерение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника;

6) определение моментов инерции и модуля сдвига твердых тел методом крутильных колебаний;

7) определение модуля Юнга методом стоячих волн в стержне;

8) изучение распространения звуковых волн в упругой среде методом стоячих волн;

9) изучение вынужденных колебаний.

10) определение отношения теплоемкостей газа.

11) изучение строения электростатических полей;

12) изучение основных свойств электростатического поля.

13) изучение диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектриков;

14) изучение температурной зависимости диэлектриков вблизи температуры

фазового перехода.

15) изучение магнитных полей;

16) изучение магнитных свойств ферромагнетиков;

17) изучение воздействия постоянных электрического и магнитных полей на

заряженные частицы;

18) изучение явления электромагнитной индукции;

19) изучение процессов релаксации в контурах.

20) изучение явления интерференции света;

21) изучение дифракции Френеля;

22) изучение дифракции Фраунгофера;

23) изучение свойств поляризованного света.

24) изучение законов теплового излучения;

25) изучение внешнего фотоэффекта;

26) изучение внутреннего фотоэффекта.

27) опыт Франка-Герца;

28) изучение спектра излучения атома водорода;

29) изучение оптических характеристик спектрального прибора и энергетиче-

ских спектров испускания квантовых систем;

30) изучение спектра поглощения молекулы йода;

31) изучение влияния температуры на проводимости металлов и полупровод-

ников;

32) изучение вольтамперной характеристики p-n - перехода.

34) изучение зависимости падения напряжения на р-n-переходе от температу-

ры.

ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ

1. Савельев И.В. Курс физики. Т.1-3, Наука, 1989; Курс общей физики. Т.1-5,

М., Астрель АСТ, 2003-2004.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс общей физики. М., Высшая школа, 1989.

3. Наркевич И.И., Волмянский Э.И., Лобко С.И. Физика. Мн., Вышэйшая шко-

ла, 2004.

4. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. М., Наука, 1988.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1-5, М., Наука, 1977-1986.

6. Берклеевский курс физики. Т.1-5, М., Наука, 1975-1977.

7. Феймановские лекции по физике. Т.1-9, М., Мир, 1977.

8. Иродов И.Е. Основные законы механики. М., Высшая школа, 1985.

9. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. М., Высшая школа, 1983.

10. Калашников С.Г. Электричество. М., Наука, 1985.

11. Калитиевский Н.И. Волновая оптика. М., Высшая школа, 1978.

12. Ландсберг Г.С. Оптика. М., Наука, 1976.

13. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М., Наука, 1980.

14. Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс общей физики. Т.1-3. М., Наука, 1977.

15. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. М., Наука, 1976.

16 .Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М., Наука, 1978.

17. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М., Высшая школа, 1985.

18. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. М., Высшая школа, 1988.

19. Беликов В.С. Решение задач по физике. М., Высшая школа, 1986.

20. Мурзов В.И., Коненко А.Ф., Филиппова Л.Г. Общая физика в задачах и решениях. Мн.: Вышэйшая школа, 1986.

21. Варикаш В.М., Болсун А.И., Аксенов В.В. Сборник задач по статистической физике. Мн.: Вышэйшая школа, 1989.