Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Институт электроэнергетики (ИЭЭ)
___________________________________________________________________________________________________________
Направление подготовки: 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
Профиль подготовки: Высоковольтная электроэнергетика и электротехника; Гидроэлектростанции;
Менеджмент в электроэнергетике и электротехнике; Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии; Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем; Электрические станции;
Электроснабжение; Электроэнергетические системы и сети.
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИЭЭ
________________ П.А. Бутырин
«____»_________________ 2016 г.
Учебная программа по дисциплине
ФИЗИКА
| Блок: | дисциплин |
| Часть блока: | базовая |
| № дисциплины по учебному плану: | Б1.Б.6 |
| Часов (всего) по учебному плану: | |
| Трудоёмкость в зачётных единицах: | 1 семестр – 5 2 семестр – 6 3 семестр – 4 всего – 15 |
| Лекции | 1 семестр – 34 часа 2 семестр – 38 часов 3 семестр – 34 часа всего – 106 часов |
| Практические занятия | 1 семестр – 34 часа 2 семестр – 38 часов 3 семестр – 0 часов всего – 72 часа |
| Лабораторные работы | 1 семестр – 16 часов 2 семестр – 18 часов 3 семестр – 16 часов всего – 50 часов |
| Аудиторные консультации по курсовым проектам (работам) | учебным планом не предусмотрены |
| Самостоятельная работа | 1 семестр – 60 часов 2 семестр – 86 часов 3 семестр – 58 часов всего – 204 часа |
| включая: | |
| расчётные задания | учебным планом не предусмотрены |
| рефераты | учебным планом не предусмотрены |
| курсовые проекты (работы) | учебным планом не предусмотрены |
| Экзамены | 1 семестр – 36 часов 2 семестр – 36 часов 3 семестр – 36 часов |
Москва – 2016
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью освоения дисциплины является изучение основных физических объектов, явлений и законов.
Задачами дисциплины являются:
‒ получение фундаментального образования, способствующего дальнейшему развитию личности и освоению технических дисциплин;
‒ обучение анализу физической сущности явлений различной природы.
В процессе освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
‒ способность применять соответствующий физико-математический аппарат, методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач (ОПК-2);
‒ способность участвовать в планировании, подготовке и выполнении типовых экспериментальных исследований по заданной методике (ПК-1);
‒ способность обрабатывать результаты экспериментов (ПК-2).
МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫВ СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина относится к базовой части блока дисциплин основной профессиональной образовательной программы (ОПОП) подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника.
Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Физика» и «Математика» в объёме школьной программы.
Результаты образования, полученные при освоении дисциплины, необходимы при изучении следующих дисциплин: «Экология», «Теоретические основы электротехники», «Электротехническое материаловедение», «ТЭС и АЭС», «Гидроэнергетические установки», «Нетрадиционные источники энергии», «Безопасность жизнедеятельности», «Электрические станции и подстанции», «Электроснабжение», «Информационно-измерительная техника», «Электроника», «Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах», «Воздушные линии электропередачи», выполнении выпускной квалификационной работы бакалавра, а также для продолжения обучения по магистерским программам направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника.
ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫОБРАЗОВАНИЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты образования:
знать:
‒ основные физические явления, законы механики и их математическое описание (ОПК-2):
‒ основные понятия механики, связь свойств-пространства-времени и законов сохранения, различие между классической и релятивистской механикой, механический принцип относительности;
‒ характеристики движения материальной точки и твёрдого тела, их связь, закон движения;
‒ законы Ньютона и входящие в них величины, понятие центра масс механической системы и теорему о движении центра масс;
‒ основные понятия динамики твёрдого тела, основное уравнение динамики вращательного движения;
‒ энергетические характеристики движения, сохраняющиеся величины и законы сохранения;
‒ преобразования Лоренца и следствия из них;
‒ основные физические явления, законы молекулярной физики и термодинамики и их математическое описание (ОПК-2):
‒ постулаты молекулярно-кинетической теории, характеристики и методы исследования макросистем;
‒ модель идеального газа, уравнение состояния идеального газа, основное уравнение МКТ;
‒ I, II, III начала термодинамики и величины, в них входящие, понятие о политропных процессах;
‒ тепловые машины, КПД теплового двигателя;
‒ статистический и термодинамический смысл энтропии;
‒ распределение Максвелла-Больцмана;
‒ модель реального газа Ван-дер-Ваальса, уравнение Ван-дер-Ваальса, фазовые переходы, критическое состояние вещества;
‒ эмпирические законы и молекулярно-кинетическое обоснование явлений переноса;
‒ основные физические явления, законы электродинамики и их математическое описание (ОПК-2):
‒ электрическое поле, электрический заряд, уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме;
‒ закон Кулона, характеристики электростатического поля в вакууме и в веществе, электрическую ёмкость, энергию электрического поля;
‒ электрический ток и его характеристики, различные формулировки закона Ома и параметры, входящие в него;
‒ характеристики магнитного поля в вакууме и в веществе, закон Био-Савара, законы Лоренца и Ампера;
‒ магнитный поток, работу магнитного поля, явление электромагнитной индукции (самоиндукции, взаимной индукции), закон Фарадея-Максвелла, индуктивность, энергию магнитного поля;
‒ классификацию веществ по отношению к магнитному полю, природу пара-, диа- и ферромагнетизма;
‒ виды колебаний, дифференциальные уравнения свободных незатухающих, свободных затухающих и вынужденных колебаний и их решения;
‒ бегущую волну и её характеристики, волновое уравнение, свойства электромагнитных волн;
‒ основные физические явления, законы оптики и их математическое описание
(ОПК-2):
‒ волновые оптические явления: интерференцию, дифракцию волн, характеристики и методы получения поляризованного света, методы получения когерентных волн;
‒ виды взаимодействия света с веществом: рассеяние, поглощение, дисперсию.
‒ свойства фотона, квантовые оптические явления (внешний фотоэффект, эффект Комптона, давление света), корпускулярно-волновую двойственность свойств света;
‒ основные физические явления, законы квантовой физики и их математическое описание (ОПК-2):
‒ гипотезу де Бройля, соотношения неопределённостей Гейзенберга, квантовомеханическое описание состояния частицы, временное и стационарное уравнение Шрёдингера;
‒ формулировку и решение простейших квантовомеханических задач: о свободной частице, частице в потенциальной яме и при потенциальном барьере (туннельный эффект), гармоническом осцилляторе, атоме водорода;
‒ энергетический спектр атома водорода, квантование момента импульса; классификацию состояния электрона в атоме, принцип Паули;
‒ спонтанное и вынужденное излучение, принцип действия оптического квантового генератора;
‒ статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака, критерий вырождения газа;
‒ тепловое излучение, его характеристики и законы, понятие чёрного тела;
‒ модель свободных электронов, функции распределения электронов при абсолютном нуле и при ненулевой температуре, теплоёмкость электронного газа, теорию электропроводности металлов, понятие о сверхпроводимости;
‒ зонную теорию электропроводности твёрдых тел, типы проводимости полупроводников, явления при контакте двух металлов и полупроводников, внутренний фотоэффект и фотовольтаический эффект;
‒ газовый разряд, типы проводимости газов, свойства плазмы;
‒ основные физические явления, законы ядерной физики и их математическое описание (ОПК-2):
‒ состав и свойства атомного ядра; ядерные силы и их свойства, энергию связи и дефект масс;
‒ виды радиоактивности, характеристики и закон радиоактивного распада;
‒ типы и характеристики ядерных реакций, реакции деления и синтеза атомного ядра;
‒ фундаментальные взаимодействия;
‒ классификацию элементарных частиц, законы сохранения в физике элементарных частиц;
‒ кварковую структуру адронов.
уметь:
‒ определять, какие законы механики обусловливают явления или процессы в устройствах различной физической природы, и выполнять применительно к ним простые технические расчёты (ОПК-2):
‒ выбирать механическую систему и систему отсчёта при решении конкретных задач;
‒ выбирать систему координат, рассчитывать характеристики движения материальной точки и твёрдого тела;
‒ применять законы Ньютона к решению задач динамики материальной точки;
‒ рассчитывать момент инерции твёрдого тела относительно оси, применять основное уравнение динамики вращательного движения к решению задач динамики твёрдого тела;
‒ применять законы сохранения при решении задач по механике;
‒ определять, какие законы теплотехники обусловливают явления или процессы в устройствах различной физической природы, и выполнять применительно к ним простые технические расчёты (ОПК-2):
‒ рассчитывать термодинамические параметры идеального газа, строить графики равновесных термодинамических процессов;
‒ рассчитывать работу, изменение внутренней энергии, количество теплоты, теплоёмкость газа в политропном процессе;
‒ рассчитывать КПД теплового двигателя (рабочее тело – идеальный газ);
‒ рассчитывать изменение энтропии термодинамических систем;
‒ применять распределение Максвелла и барометрическую формулу;
‒ рассчитывать среднюю длину свободного пробега молекулы идеального газа и связанные с ней величины;
‒ определять, какие законы электротехники обусловливают явления или процессы в устройствах различной физической природы, и выполнять применительно к ним простые технические расчёты (ОПК-2):
‒ рассчитывать силовые характеристики и потенциал электростатического поля в вакууме, проводнике и диэлектрике, рассчитывать ёмкость конденсатора и энергию электрического поля;
‒ рассчитывать параметры неразветвлённых электрических цепей;
‒ рассчитывать силовые характеристики магнитного поля, силу с которой магнитное поле действует на движущийся заряд и ток;
‒ рассчитывать магнитный поток, работу магнитного поля, ЭДС индукции, индуктивность проводника, энергию проводника с током, магнитного поля;
‒ выводить волновое уравнение из уравнений Максвелла; рассчитывать характеристики бегущей электромагнитной волны;
‒ определять, какие законы оптики обусловливают явления или процессы в устройствах различной физической природы, и выполнять применительно к ним простые технические расчёты (ОПК-2):
‒ рассчитывать параметры простейших интерференционных и дифракционных схем;
‒ вычислять характеристики фотона и параметры внешнего фотоэффекта;
‒ определять, какие законы квантовой физики обусловливают явления или процессы в устройствах различной физической природы, и выполнять применительно к ним простые технические расчёты (ОПК-2):
‒ рассчитывать параметры волны де Бройля, применять соотношения неопределённостей, записывать уравнение Шрёдингера для простейших квантовомеханических систем;
‒ рассчитывать энергию водородоподобного иона, записывать электронные формулы основных состояний атомов;
‒ применять законы теплового излучения к расчётам его характеристик;
‒ определять, какие законы ядерной физики обусловливают явления или процессы в устройствах различной физической природы, и выполнять применительно к ним простые технические расчёты (ОПК-2):
‒ определять состав и энергию связи атомного ядра;
‒ записывать уравнения и рассчитывать характеристики радиоактивного распада;
‒ записывать уравнения и рассчитывать параметры ядерных реакций;
владеть:
‒ методами анализа физических явлений в технических устройствах и системах (ОПК-2);
‒ методикой нахождения физических величин с использованием законов динамики и законов сохранения (ОПК-2);
‒ методами расчёта термодинамических параметров идеального газа (ОПК-2);
‒ методами расчёта напряжённости и потенциала электростатического поля в вакууме и веществе (ОПК-2);
‒ методами расчёта индукции магнитного поля в вакууме, индукционного тока
(ОПК-2);
‒ навыками применения основных измерительных приборов для измерения физических величин (ПК-1);
‒ навыками планирования, проведения и обработки результатов физического эксперимента (ПК-1, ПК-2).
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Структура дисциплины
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 10 зачётных единиц, 360 часов.
| № п/п | Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | Всего часов на раздел | Семестр | Распределение трудоёмкости раздела (в часах) по видам учебной работы | Содержание самостоятельной работы (с указанием № источника по рабочей программе и страниц или § в нём) | |||
| контактная | СРС | |||||||
| лк | пр | лаб | ||||||
| Физические основы механики | [1], §§1-34 или [4], главы 1-5; [15]; [10], §§1-4; [5], №№ 1.6, 1.9, 1.10, 1.12, 1.16, 1.24, 2.3, 2.6, 2.13, 2.16, 2.21, 2.26, 2.26, 3.13, 3.18, 4.3, 4.8, 4.11, 4.13, 4.19, 4.21, 4.25, 5.7, 5.29, 5.34, 5.37, 5.49, 5.53, 5.59, 5.61; [7], раздел «Погрешности при физических измерениях. Статистическая обработка результатов измерений»; подготовка к контрольной работе «Механика»; подготовка к выполнению лабораторных работ по механике (всего 3 работы согласно календарному плану) и обработка результатов измерений; подготовка к коллоквиуму «Механика» | |||||||
| Элементы специальной теории относительности | – | – | [1], §§45-53 или [4], глава 7 | |||||
| Основы молекулярной физики и термодинамики | [1], §§59-76, 78-89 или [4], главы 8-12, 18; [15]; [10], §§8-10; [5], №№ 7.2, 7.3, 7.6, 7.10, 7.17, 8.4, 8.10, 8.15, 8.21, 8.22, 9.1, 9.6, 9.8, 9.13, 9.14, 9.18, 9.30, 9.36, 10.2, 10.6, 10.18, 10.23, 10.24, 11.5, 11.11, 11.17, 11.20, 12.2, 12.7, 12.9, 12.12; подготовка к контрольной работе «Молекулярная физика и термодинамика»; подготовка к выполнению лабораторных работ по молекулярной физике и термодинамике (всего 2 работы согласно календарному плану) и обработка результатов измерений; подготовка к коллоквиуму «Молекулярная физика и термодинамика» |
| Электростатика | [2], §§1-27 или [4], главы 13-19; [12]; [10], §§11-13; [6], №№ 1.2, 1.4, 1.6, 1.9, 1.11, 1.14, 2.5, 2.7, 2.12, 2.14, 2.15, 2.16, 2.18, 2.23, 3.1, 3.6, 3.7, 3.13, 3.18, 3.25, 3.28, 4.1, 4.5, 4.8, 4.11, 4.18, 4.21, 4.23, 4.24, 4.28, 4.33; подготовка к контрольной работе «Электростатика»; подготовка к выполнению лабораторных работ по электричеству (всего 4 работы согласно календарному плану) и обработка результатов измерений; подготовка к коллоквиуму «Электростатика» | |||||||
| Электромагнетизм | [2], §§35-42, 44, 47-67, 70, 80, 81 или [4], главы 21-28, 30; [12]; [10], §§14, 15, 17, 18; [6], №№ 5.2, 5.6, 5.7, 5.11, 6.2, 6.4, 6.5, 6.18, 6.22, 7.1, 7.4, 7.8, 7.13, 7.17, 7.19, 7.21, 7.26, 8.1, 8.10, 9.3, 9.7, 9.9, 9.12, 10.4, 10.6, 10.8, 10.10, 10.12, 11.2, 11.6, 11.8, 11.12; подготовка к контрольной работе «Магнетизм»; подготовка к выполнению лабораторных работ по магнетизму (всего 3 работы согласно календарному плану) и обработка результатов измерений; подготовка к коллоквиуму «Магнетизм» | |||||||
| Физические основы оптики | – | [2], §§78, 84-88, 90-95, 98-100, 102, 103 или [4], главы 29, 32, 33, 36; [13]; [10], §§21, 22; подготовка к выполнению лабораторных работ по волновой оптике (всего 2 работы согласно календарному плану) и обработка результатов измерений; подготовка к выполнению лабораторных работ по квантовой оптике (всего 2 работы согласно календарному плану) и обработка результатов измерений; подготовка к коллоквиумам «Волновая оптика», «Оптика и атомная физика» |
| Физические основы квантовой механики | – | [3], §§11-24, 31 или [34], главы 37-39; [14]; подготовка к выполнению лабораторных работ по квантовой физике (всего 1 работа согласно календарному плану); подготовка к коллоквиуму «Оптика и атомная физика» | ||||||
| Элементы статистической физики и теории проводимости | – | [3], §§1-6, 9, 32-35, 38, 40-46 или [4], главы 20, 40-43, §§18.3, 18.4; [15]; подготовка к выполнению лабораторных работ по квантовой физике (всего 1 работа согласно календарному плану) и обработка результатов измерений; подготовка к коллоквиуму «Квантовая механика и элементы физики твёрдого тела» | ||||||
| Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц | – | – | [3], §§48-58 или [4], §21.4, главы 45, 46, заключение | |||||
| Зачёт | – | – | – | – | – | – | – | |
| Экзамен | – – – | – – – | – – – | Согласно экзаменационной программе | ||||
| Итого: |
4.2 Краткое содержание разделов
Семестр
1. Физические основы механики
Предмет физики. Элементы физических знаний. Фундаментальные взаимодействия. Классификация элементарных частиц.
Предмет механики. Основные понятия механики: пространство и время, механическое движение, механическая система, замкнутая (изолированная) система, материальная точка, абсолютно твёрдое тело, система отсчёта. Свойства пространства-времени и законы сохранения. Механический принцип относительности. Различие и границы применимости классической и релятивистской механики, классической и квантовой механики.
Предмет кинематики. Радиус-вектор. Кинематический закон движения материальной точки. Траектория. Путь. Кинематические параметры: перемещение, скорость, ускорение. Обратная задача кинематики точки. Частные случаи движения материальной точки: равномерное и равноускоренное движение. Характеристики криволинейного движения: радиус кривизны траектории, нормальное и тангенциальное ускорение.
Виды движения твёрдого тела: поступательное, вращение вокруг неподвижной оси, сферическое, плоское. Угловые кинематические параметры: угловое перемещение, скорость, ускорение; частота, период вращения. Связь угловых и линейных кинематических параметров.
Предмет динамики. Законы Ньютона. Сила. Линия действия силы, силовая линия, равнодействующая (главный вектор), принцип независимости действия сил. Инерциальные системы отсчёта. Инертность. Масса. Внутренние и внешние силы. Центр масс механической системы. Теорема о движении центра масс. Гравитационная сила, сила упругости, сила сухого трения (трения скольжения и трения покоя). Кинематические связи: координатная связь, невесомая и нерастяжимая нить. Импульс материальной точки, механической системы. II закон Ньютона в дифференциальной форме.
Момент силы относительно точки, оси. Момент инерции тела относительно точки, оси. Теорема Гюйгенса-Штейнера. Основное уравнение динамики вращательного движения. Качение без проскальзывания. Мгновенная ось вращения. Момент импульса твёрдого тела относительно оси. Основное уравнение динамики вращательного движения в дифференциальной форме.
Закон сохранения импульса. Условия сохранения импульса механической системы.
Момент импульса материальной точки относительно точки, оси; механической системы. Закон сохранения момента импульса.
Кинетическая энергия материальной точки; механической системы, твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси; твёрдого тела, совершающего плоское движение (теорема Кёнига). Работа, мощность. Работа при вращательном движении твёрдого тела. Теорема об изменении кинетической энергии. Потенциальное поле. Потенциальные и непотенциальные силы. Потенциальная энергия материальной точки, механической системы. Связь силы и потенциальной энергии. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии. Консервативные и диссипативные силы. Абсолютно упругий, абсолютно неупругий удар.
2. Элементы специальной теории относительности
Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Относительность одновременности, относительность длин и промежутков времени, интервал между двумя событиями и его инвариантность. Релятивистский закон сложения скоростей.
Динамика материальной точки. Релятивистский импульс. Релятивистское уравнение динамики материальной точки. Кинетическая энергия. Закон взаимосвязи массы и энергии. Вектор энергии-импульса.
3. Основы молекулярной физики и термодинамики
Предмет термодинамики и статистической физики. Постулаты молекулярно-кинетической теории. Взаимодействие молекул. Количество вещества. Молярная масса.
Термодинамическая система (макросистема). Микропараметры и макропараметры. Статистический и термодинамический методы исследования макросистем. Стохастическая система. Микросостояние и макросостояние термодинамической системы. Равновесное состояние. Термодинамический процесс. Равновесный, квазистатический процесс. Уравнение состояния.
Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Газовые законы. Закон Дальтона. Основное уравнение МКТ идеального газа для давления, энергии. Молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры. Энергетическая температура. Среднеквадратичная скорость молекулы идеального газа.
Внутренняя энергия термодинамической системы. Внутренняя энергия идеального газа. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Работа газа. Количество теплоты. Теплоёмкость системы, удельная и молярная теплоёмкость вещества. I начало термодинамики. Адиабатный процесс идеального газа. Уравнение Пуассона. Политропный процесс идеального газа (общий случай). Зависимость теплоёмкости газа от температуры. Ограниченность классической теории теплоёмкости газов.
Тепловой двигатель, его принципиальные части. КПД теплового двигателя. Холодильная машина. Обратимый термодинамический процесс. Цикл Карно. Теоремы Карно.
Неравенство Клаузиуса. Приведённая теплота. Энтропия как функция состояния термодинамической системы. Фазовое пространство в классической физике. Фазовая ячейка. Изобразительная точка. Термодинамическая вероятность (статистический вес). Статистический смысл энтропии. II начало термодинамики. Изменение энтропии в термодинамических процессах. III начало термодинамики.
Функция распределения, её свойства. Среднее, среднеквадратичное, наивероятнейшее значение случайной величины. Распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла) и по энергиям. Наивероятнейшая, средняя и среднеквадратичная скорости молекул идеального газа. Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Распределение Максвелла-Больцмана.
Модель реального газа Ван-дер-Ваальса. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия реального газа. Изотермы реального газа – расчётные и экспериментальные. Критическое состояние. Диаграммы состояния вещества. Тройная точка. Фазовые переходы I и II рода. Теплота и удельная теплота фазового перехода.
Длина свободного пробега молекулы идеального газа. Неравновесные процессы. Кинетические явления (явления переноса): диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Эмпирические уравнения явлений переноса: закон Фика, закон Фурье, закон Ньютона для внутреннего трения. Коэффициенты диффузии, теплопроводности, вязкости, их выражения для идеального газа. Молекулярно-кинетическая теория явлений переноса.
Семестр
4. Электростатика
Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Электромагнитное поле. Силовые характеристики электромагнитного поля: основные – напряжённость электрического поля, индукция магнитного поля; вспомогательные – электрическое смещение, напряжённость магнитного поля. Сила Лоренца. Принцип суперпозиции полей.
Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Материальные уравнения.
Электростатическое поле в вакууме. Закон Кулона. Теорема Остроградского-Гаусса для напряжённости электрического поля. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле. Потенциал. Интегральная и дифференциальная связь напряжённости и потенциала электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.
Проводники и диэлектрики. Свободные и связанные заряды. Электрический диполь. Дипольный момент. Сила и момент сил, с которыми электростатическое поле действует на диполь. Энергия диполя в электрическом поле.
Электрическое поле в диэлектриках. Полярные и неполярные диэлектрики, электронная и ориентационная поляризация. Поляризованность. Поляризуемость молекулы. Диэлектрическая восприимчивость и относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Связь поляризованности с поверхностными и объёмными связанными зарядами. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в диэлектриках: для поляризованности, напряжённости электрического поля и электрического смещения. Связь напряжённости электрического поля и электрического смещения в изотропном диэлектрике. Теорема Остроградского-Гаусса в дифференциальной форме. Условия на границе раздела двух диэлектриков.
Свойства электростатического поля в проводниках. Электрическая ёмкость уединённого проводника. Взаимная ёмкость двух проводников. Конденсатор. Ёмкость конденсатора. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов.
Энергия заряженного конденсатора. Объёмная плотность энергии электрического поля.
5. Электромагнетизм
Электрический ток. Сила и плотность тока. Сторонние силы. ЭДС. Закон Ома в дифференциальной форме, обобщённый закон Ома для участка цепи. Удельная электропроводность, удельное сопротивление вещества. Электрическое сопротивление. Последовательное и параллельное соединение проводников. Правила Кирхгофа. Работа и удельная мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной форме.
Постоянное магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции магнитной индукции. Магнитный поток. Теорема Остроградского-Гаусса для магнитной индукции. Векторный потенциал.
Действие магнитного поле на заряженные частицы и проводники с током. Закон Ампера. Момент сил Ампера. Магнитный момент. Энергия рамки (замкнутого проводника) с током в магнитном поле. Работа по повороту рамки с током, перемещению линейного проводника и контура с током в магнитном поле.
Электромагнитная индукция. Закон Фарадея-Максвелла. Правило Ленца. Вихревые токи. Самоиндукция. Индуктивность. Взаимная индукция. Коэффициент взаимной индукции.
Энергия замкнутого проводника с током. Энергия взаимодействия проводников с током. Объёмная плотность энергии электромагнитного поля.
Магнитное поле в веществе. Макротоки и микротоки. Намагниченность. Теорема о циркуляции магнитного поля в веществе: намагниченности, магнитной индукции и напряжённости магнитного поля. Магнитная восприимчивость и относительная магнитная проницаемость вещества. Связь магнитной индукции и напряжённости магнитного поля в изотропном магнетике (неферромагнетике). Условия на границе раздела двух магнетиков.
Магнитный момент атома. Спин. Гиромагнитное отношение орбитальных и спиновых моментов. Классификация магнетиков: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики. Диамагнетизм. Ларморова прецессия. Парамагнетизм. Закон Кюри-Вейсса. Ферромагнетизм. Свойства ферромагнетиков: гистерезис, остаточное намагничивание, точка Кюри. Толкование свойств ферромагнетиков. Домены.
Колебания. Колебательная система. Свободные незатухающие, затухающие, вынужденные колебания. Дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний и его решение. Характеристики гармонических колебаний: амплитуда, циклическая частота, начальная фаза, период, частота. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний и его решение. Амплитуда, условный период затухающих колебаний. Переменный ток. Импеданс. Резонанс токов и напряжений.
Волны. Уравнение бегущей волны. Волновой фронт; плоская, сферическая волна Поперечные и продольные волны. Гармоническая волна и её характеристики: амплитуда, циклическая частота, частота, период, начальная фаза, скорость распространения, длина волны, волновое число (волновой вектор). Уравнение бегущей гармонической волны. Волновое уравнение, его общее решение.
Волновое уравнение для электромагнитной волны. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, в среде. Монохроматическая электромагнитная волна и её характеристики. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность электромагнитной волны. Шкала электромагнитных волн. Отражение и преломление электромагнитной волны на границе раздела диэлектриков. Абсолютный и относительный показатели преломления среды. Законы отражения и преломления. Формулы Френеля. Закон Брюстера.
6. Физические основы оптики
Интерференция волн. Когерентные волны. Условия максимумов и минимумов при интерференции когерентных волн. Геометрическая и оптическая разность хода волн. Схема Юнга (разделение волнового фронта надвое). Интерференция в тонких плёнках: плоскопараллельная пластинка, тонкий клин, кольца Ньютона. Пространственная и временная когерентность. Время и длина когерентности. Критерий Рэлея.
Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция света на одной щели, дифракционной решётке, круглом отверстии. Разрешающая способность оптических приборов.
Семестр
6. Физические основы оптики
Виды поляризации света: естественный, линейно поляризованный, частично поляризованный свет. Степень поляризации света. Идеальный и абсолютный поляризаторы. Закон Малю. Оптическая анизотропия. Двойное лучепреломление. Оптическая ось, главная плоскость двоякопреломляющего кристалла. Обыкновенная и необыкновенная волны. Методы получения поляризованного света: отражение волны от диэлектрика под углом Брюстера (стопа Столетова), двойное лучепреломление, дихроизм.
Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта. Рассеяние света. Закон Рэлея. Фазовая и групповая скорости света. Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсия. Классическая электронная теория дисперсии.
Корпускулярные свойства света. Масса и импульс фотона. Фотоэффект. Корпускулярно-волновой дуализм свойств света.
7. Физические основы квантовой механики
Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределённостей Гейзенберга. Квантово-механическое описание движения микрочастицы. Волновая функция и её статистический смысл. Уравнение Шрёдингера. Стационарное состояние. Частица в одномерной потенциальной яме бесконечной глубины. Квантование энергии. Потенциальный барьер, туннельный эффект.
Квантовомеханическая модель атома водорода. Квантование энергии, момента импульса и проекции момента импульса электрона. Квантовые числа. Спектры излучения атома водорода. Спин электрона. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры.
8. Элементы статистической физики и теории проводимости
Методы описания состояния макросистемы. Термодинамический метод. Статистический метод. Изображение состояния термодинамической системы в фазовом пространстве. Фазовые ячейки и их заполняемость. Критерий вырождения газа. Функция распределения и её физический смысл. Статистики Максвелла-Больцмана, Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака.
Равновесное тепловое излучение. Фотонный газ. Абсолютно чёрное тело. Распределение Бозе-Эйнштейна. Подсчёт числа фотонов с энергией от ε до ε + dε. Формула Планка. Законы теплового излучения. Оптическая пирометрия.
Квантовая теория свободных электронов в металлах. Распределение Ферми-Дирака. Подсчёт числа частиц с энергией от ε до ε + dε. Энергия Ферми. Влияние температуры на распределение электронов. Теплоёмкость электронного газа. Электропроводность металлов.
Зонная теория проводимости твёрдого тела. Расщепление энергетических уровней атома при формировании кристаллической решётки твёрдого тела.
Разрешённые и запрещённые зоны. Валентная зона и зона проводимости. Деление твёрдых тел на проводники, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории твёрдых тел. Собственная и примесная проводимость полупроводников и её зависимость от температуры.
Контактные явления. Работа выхода. Внутренняя и внешняя контактная разность потенциалов. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода. Внутренний фотоэффект. Солнечные батареи.
Газовый разряд. Несамостоятельная проводимость газов. Вольтамперная характеристика газоразрядной трубки. Самостоятельная проводимость газов: термоэлектронная, вторичная электронная, автоэлектронная эмиссия, ионизация электронным ударом (неупругий удар, неупругий удар I рода, неупругий удар II рода). Виды самостоятельного разряда: тлеющий, дуговой, искровой, коронный разряд. Тлеющий разряд, его структура.
9. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
Состав ядра. Нуклоны. Заряд, размер и масса ядра. Дефект масс и энергия связи ядра. Взаимодействие нуклонов и понятие о природе и свойствах ядерных сил.
Ядерные реакции. Реакция деления ядра. Цепкая ядерная реакция. Критическая масса. Проблемы ядерной энергетики. Реакция синтеза атомного ядра. Проблемы управляемой термоядерной реакции.
Фундаментальные взаимодействия. Классификация элементарн