I. Внешние требования к дисциплине.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Автоматики и вычислительной техники

Кафедра общей физики

 

Утверждаю

 

Декан факультета Автоматики и вычислительной техники

___________ д.т.н. Губарев В.В.

«____» _______________ 2006 г.

 

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Физика »

 

 

Направление 200300 –Биомедицинская инженерия

Специальность: 200401 –Биотехнические и медицинские аппараты и системы

 

Квалификация – Инженер

 

Факультет Автоматики и вычислительной техники (дневная форма обучения)

 

Курс – 1,2. семестр – 2, 3, 4.

 

Лекции – 119 час.

Практические занятия – 51 час.

Лабораторные Занятия– 102 час.

Самостоятельная работа - 157 час.

Всего: 429 час.

 

Новосибирск

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 200300 «Биомедицинская инженерия»).

 

Дата утверждения ГОС 10 марта 2000 г.

Номер государственной регистрации 30 тех/бак

Шифр дисциплины в ГОС- ЕН.Ф.03 Общие математические и естественнонаучные дисциплины Федеральный компонент..

Шифр дисциплины в учебном плане – 2.1 ЕН. Ф. 03

 

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры общей физики

Протокол № 5 от 19 декабря 2005 г.

 

 

Программу разработали доцент кафедры ОФ Горлов Б.Б.

профессор кафедры ОФ, д.ф-м.н. Пейсахович Ю.Г.

.

 

 

Зав.кафедрой ОФ,

профессор, д.ф.-м.н. Борыняк Л.А.

 

Ответственный за основную образовательную программу

Зав.кафедрой Систем сбора и обработки данных

доцент, к.т.н. Полубинский В.Л.

I. Внешние требования к дисциплине.

 

1.1. Общие требования к уровню подготовленности лиц, завершивших обучение по программе:

 

… - имеет представление о фундаментальных закономерностях развития Вселенной; об эмпирическом и теоретическом подходах к решению проблем познания закономерностей процессов, происходящих в Природе;; о фундаментальных константах естествознания; о современном состоянии естествознания, в целом, и физики, в частности; о перспективах развития науки и применении результатов естественнонаучных исследований; о связях курса физики с другими естественнонаучными дисциплинами;

 

… - знает основные понятия, фундаментальные свойства и количественные меры свойств объектов изучения физики; законы, выявляющие взаимосвязь между различными мерами свойств объектов в рамках содержания основных разделов курса общей физики;

 

… способен классифицировать физические системы по различным основаниям (по законам, определяющим динамику поведения систем, по отношению к законам сохранения и т.д.);

1.2. Требования Государственного образовательного стандарта к обязательному минимуму содержания дисциплины «Физика».

.

 

Шифр дисциплины	Содержание учебной дисциплины	Часы
ЕН.Ф.03	физические основы механики: понятие состояния в классической механике, уравнения движения, законы сохранения, инерциальные и неинерциальные системы отсчета, кинематика и динамика твердого тела, жидкостей и газов, основы релятивистской механики; физика колебаний и волн: гармонический и ангармонический осциллятор, свободные и вынужденные колебания, интерференция и дифракция волн; молекулярная физика и термодинамика: три начала термодинамики, термодинамические функции состояния, классическая и квантовая статистики, кинетические явления, порядок и беспорядок в природе; электричество и магнетизм: электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе, электрический ток, уравнение непрерывности, уравнения Максвелла, электромагнитное поле, принцип относительности в электродинамике; оптика: отражение и преломление света, оптическое изображение, волновая оптика, принцип голографии, квантовая оптика, тепловое излучение, фотоны; атомная и ядерная физика: корпускулярно-волновой дуализм в микромире, принцип неопределенности, квантовые уравнения движения, строение атома, магнетизм микрочастиц, молекулярные спектры, электроны в кристаллах, атомное ядро, радиоактивность, элементарные частицы; современная физическая картина мира: иерархия структур материи, эволюция Вселенной, физическая картина мира как философская категория, физический практикум.

 

 

2 Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенности (принципы)	Содержание
Основание для введения дисциплины	Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования; направление 200300- Биомедицинская инженерия Федеральный компонент. Учебный план.
Адресат курса	Студенты 1-го, 2-го курсов факультета Автоматики и вычислительной техники по направлению подготовки 200300–Биомедицинская инженерия, обучающиеся по специальности 200401 (Биотехнические и медицинские аппараты и системы).
Концепции и основные цели	Изучение дисциплины «Физика» способствует: - созданию у обучающихся целостного представления о процессах и явлениях, происходящих в Природе; научных представлений о фундаментальных закономерностях Природы; - пониманию возможностей современных научных методов познания Природы и владения ими на уровне, необходимом для решения задач естественнонаучного содержания, возникающих при выполнении профессиональных функций; - формированию способностей в условиях развития науки и изменяющейся социальной практики к переоценке накопленного опыта; - умению приобретать новые знания, используя современные информационные образовательные технологии.
Ядро дисциплины	Ядро дисциплины составляют физические законы и закономерности Природы, основные тематические блоки, отражающие содержание данного курса. .
Связи с другими дисциплинами	Дисциплина «Физика» является наиболее важной фундаментальной дисциплиной современного естествознания, основой многих других естественнонаучных дисциплин, объединенных как общими целями, так и рядом общих (транс дисциплинарных) представлений, независящих от специфики конкретной науки и опирающихся на общие концепции и законы. В предлагаемом варианте курс на базовом уровне является основой для изучения и освоения студентами ряда дисциплин федерального компонента и инженерно-технологических дисциплин отрасли, предусмотренных учебным планом.
Требования к первоначальному уровню подготовки обучающихся.	Знание программного материала дисциплин естественнонаучного цикла (математика, физика, химия, …) на базовом уровне по программе среднего (полного) общего образования, знание основ высшей математики (основы дифференциального и интегрального исчисления), знание элементов линейной алгебры и операций с векторами.
Особенности организации учебного процесса по дисциплине.	Дисциплина «Физика» по учебным планам указанных специальностей изучается во 2-ом, 3-ем и 4-ом семестрах. На изучение дисциплины на дневном отделении отведено 429 часов, из них: Лекции –119час.; Практические занятия -51час. Лабораторные занятия-102 час. Самостоятельная работа-157час. При чтении лекций и проведении лабораторных работ преподаватели, наряду с традиционными, используют компьютерные технологии обучения (компьютерные лекционные демонстрации, компьютерные программы, моделирующие физический эксперимент,….) В каждом семестре предусмотрена контрольная работа и коллоквиум. При успешной сдачи коллоквиума часть учебного материала, выносимого на коллоквиум, исключается из экзаменационных билетов Форма итоговой аттестации по дисциплине в каждом семестре- экзамен
Общая концепция содержания дисциплины.	Общая концепция содержания дисциплины сводится к следующим положениям: 1. Физика рассматривается как самостоятельная естественнонаучная дисциплина со своим предметом и методом исследования. 2. Существуют сквозные специфически естественнонаучные идеи и принципы, отличные от обще методологических и частно дисциплинарных. Содержание дисциплины определяется требованиями ГОС к обязательному минимуму содержания дисциплины «Физика» для направления 200300- Биомедицинская инженерия.

3.Цели учебной дисциплины.

К общим целям дисциплины относятся:

- понимание специфики гуманитарного и естественнонаучного компонентов культуры;

- формирование представлений о естественнонаучной картине мира, как глобальной модели Природы, многообразии реального мира;

- формирование частно дисциплинарных знаний и умений, определенных требованиями ГОС и реализуемых через содержание дисциплины.

После изучения дисциплины студент будет

 

иметь представление:

 

1) о соотношении естественнонаучной и гуманитарной культуры;

2) об истории естествознания, формировании «научного метода»;

3) о панораме современного естествознания и физики в частности, тенденциях развития науки и применения результатов естественнонаучных исследований;

4) о корпускулярной и континуальной концепции описания природы;

5) о соотношении порядка и беспорядка в природе, понятие хаоса;

6) о структурных уровнях организации материи;

7) о понятиях взаимодействия, дальнодействия и близкодействия, фундаментальных взаимодействиях;

8) о динамических и статистических закономерностях в природе;

9) о законе возрастания энтропии;

10)о принципах симметрии и законах сохранения;

11) о связи курса физики с другими дисциплинами;

12) о различных аспектах необратимости времени;

 

будет знать:

 

13) основные понятия, фундаментальные свойства и количественные меры свойств объектов изучения физики, а также законы, выявляющие взаимосвязь между различными мерами свойств объектов в рамках разделов курса физики, соответствующих требования ГОС;

14) принципы применения законов физики к конкретным физическим системам;

15) правила, необходимые для решения физических проблем на основе законов физики;

16) принцип суперпозиции;

17) принцип неопределенности;

18) принцип дополнительности;

 

будет уметь:

 

19) использовать научный подход в общей оценке природных явлений, а также в оценке различной информации о таких явлениях;

20) анализировать такую информацию с точки зрения выполнения фундаментальных законов природы и отделять «наукообразную» информацию от научной;

21) классифицировать физические системы по различным основаниям (например, по законам, определяющим динамику поведения системы, по отношению к законам сохранения и т.д.);

22) оценивать численные порядки величин, характерных для различных физических объектов;

иметь опыт:

 

23) проведения лабораторного эксперимента, анализа результатов эксперимента и представления их в форме отчёта;

24) высказывать собственное суждение по конкретным физико-техническим проблемам в популярной форме;

 

4. Содержание и структура учебной дисциплины.

 

В данном компоненте рабочей программы приведены темы лекционных, практических и лабораторных занятий. Компоновка тем лекционных занятий выполнена в виде модулей с указанием количества часов, отводимых на изучение каждого модуля. Приводится также структура дисциплины.

 

4.1. Содержание лекционных занятий (всего часов –119)

 

Блок, модуль, раздел, тема.	Часы	Ссылки на цели
Семестр №2
Модуль 1. Физические основы механики.		1,2, 3, 5, 8, 9
Физика как наука. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, теория. Математика и физика. Физика и естествознание. Философия и физика. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Физические модели. Компьютеры в современной физике. Роль физики в образовании. Общая структура и задачи курса физики. Предмет механики. Нерелятивистская и релятивистская механика. Кинематика и динамика. Основные физические модели: частица (материальная точка), система частиц, абсолютно твёрдое тело, сплошная среда. Пространственно-временные отношения. Система отсчёта. Скалярные и векторные физические величины. Основные кинематические характеристики движения частиц. О смысле производной и интеграла в приложении к физическим задачам. Скорость и ускорение частицы при криволинейном движении. Движение частицы по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Поступательное и вращательное движения абсолютно твёрдого тела. . Понятие состояния частицы в классической механике. Основная задача динамики. Первый закон Ньютона. Понятие инерциальной системы отсчёта. Масса. Импульс. Сила. Фундаментальные взаимодействия и силы в природе. Второй закон Ньютона и уравнения движения материальной точки. Третий закон Ньютона. Современная трактовка законов Ньютона. Границы применимости классического способа описания движения частиц. Закон сохранения импульса. Центр инерции. Закон движения центра инерции. Реактивное движение. Момент импульса. Момент силы. Закон сохранения момента импульса. Уравнение моментов. Движение в центральном поле. Законы Кеплера. Работа. Мощность. Кинетическая энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия и энергия взаимодействия. Внутренняя энергия. Закон сохранения энергии в механике. Общефизический закон сохранения энергии. Законы сохранения и симметрия пространства и времени. Уравнения движения твёрдого тела. Момент инерции тела относительно неподвижной оси. Вращательный момент. Основное уравнение динамики вращательного движения. Энергия тела, совершающего поступательное и вращательное движения. Работа при вращении твёрдого тела. Преобразования Галилея. Инварианты преобразования. Принцип относительности Галилея. Принцип относительности в релятивистской механике. Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия. Релятивистский импульс. Инвариантность уравнений движения относительно преобразований Лоренца. Полная энергия частицы.
Модуль 2. Электричество.		9, 11
Предмет классической электродинамики. Электрический заряд и его дискретность. Идея близкодействия. Границы применимости классической электродинамики. Закон Кулона. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции. Электрический диполь. Основные уравнения электростатики в вакууме. Поток и циркуляция электростатического поля. Работа электростатического поля. Потенциал электростатического поля и его связь с напряжённостью. Идеальный проводник в электростатическом поле. Поверхностные заряды. Граничные условия на поверхности раздела "идеальный проводник – вакуум". Электростатическое поле в полости идеального проводника. Электростатическая защита. Коэффициенты ёмкости и взаимной ёмкости проводников. Конденсаторы. Ёмкость конденсаторов. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля. Плоский конденсатор с диэлектриком. Энергия диполя во внешнем электростатическом поле. Поляризация диэлектрика. Поляризационные заряды. Поляризованность. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Граничные условия на поверхности раздела "диэлектрик – диэлектрик" и "проводник – диэлектрик". Плотность энергии электростатического поля в диэлектрике. Постоянный электрический ток и его характеристики. Условия существования тока. Проводники и изоляторы. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Сторонние силы. Э.Д.С. Источники Э.Д.С. Закон Ома для замкнутой цепи и участка цепи, содержащего источник Э.Д.С. Закон сохранения энергии для замкнутой цепи. Правила Кирхгофа. Элементы классической теории электропроводности металлов.
Семестр №3
Модуль 3. Электромагнетизм.		7,9,11, 13
Инвариантность заряда. Взаимодействие движущихся зарядов. Магнитное поле равномерно движущегося заряда. Закон Био-Савара-Лапласа. Сила Лоренца. Закон Ампера. Эффект Холла. Проводники с током в магнитном поле. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент. Энергия витка с током в магнитном поле. Закон полного тока. Магнитное поле длинного соленоида. Коэффициенты индуктивности и взаимной индуктивности. Намагничивание вещества. Молекулярные токи. Намагниченность. Напряжённость магнитного поля. Магнитная проницаемость. Диа- пара- и ферромагнетизм. Явление гистерезиса. Граничные условия на границе раздела двух магнетиков. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Токи при замыкании и размыкании электрической цепи. Природа электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. Энергия и плотность энергии магнитного поля.
Модуль 4. Колебания и волны. Волновая оптика.		8, 9, 13
Общие представления о колебательных и волновых процессах. Единый подход к описанию колебаний и волн различной физической природы. Гармонические колебания. Характеристики гармонических колебаний и их физический смысл. Комплексная форма представления гармонических колебаний. Представление гармонических колебаний в векторной форме. Сложение одинаково направленных и взаимно-перпендикулярных гармонических колебаний одинаковых и разных частот. Биения. Фигуры Лисажу. Гармонический осциллятор. Дифференциальное уравнение гармонического осциллятора. Примеры гармонических осцилляторов: математический маятник, груз на пружине, колебательный контур без потерь энергии. Энергия гармонического колебания. Затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания. Энергия затухающих колебаний. Добротность осциллятора. Связанные гармонические осцилляторы. Понятие о нормальных колебаниях в системе связанных осцилляторов. Вынужденные колебания. Зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний от частоты внешнего гармонического воздействия. Явление резонанса. Зависимость амплитуды при резонансе от добротности осциллятора. Волны. Виды волн. Уравнение плоской бегущей волны. Характеристики волн. Волновое уравнение. Фазовая и групповая скорости. Энергия упругой волны. Вектор Умова. Дисперсия. Стоячие волны. Электромагнитные волны. Вектор Умова-Пойнтинга. Интерференция волн. Понятие когерентности. Интерференция волн от двух когерентных источников. Расчёт координат интерференционных максимумов и минимумов. Интерференция в тонких плёнках. Многолучевая интерференция. Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на щели. Дифракция на дифракционной решётке. Спектральное разложение. Разрешающая способность спектральных приборов. Голография. Естественный и поляризованный свет. Виды поляризованного света. Способы получения поляризованного света. Закон Малюса. Закон Брюстера. Явление двойного лучепреломления. Одноосные дву лучепреломляющие кристаллы.
Семестр №4.
Модуль 5. Квантовая физика		3, 9, 10, 14, 15
Экспериментальное обоснование основных идей квантовой теории. Тепловое излучение и его законы. Гипотеза Планка. Формула Планка. Явление внешнего фотоэффекта. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов. Соотношение неопределённостей. Уравнение Шрёдингера. Волновая функция и её физический смысл. Стационарное уравнение Шрёдингера. Туннельный эффект. Частица в одномерной и трёхмерной потенциальной яме. Квантовый гармонический осциллятор. Атом водорода. Энергетический спектр атома водорода. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Молекулы. Молекула водорода. Физическая природа химической связи. Ионная и ковалентная связи. Молекулярные спектры.
Модуль 6. Статистическая физика и термодинамика.		4, 9, 14
Макросистема и статистические закономерности. Термодинамический и статистический методы в физике. Модельная макросистема и её статистические свойства. Понятие микро- и макросостояния. Вырожденное макросостояние. Степень вырождения макросостояния. Доступные и возможные микросостояния. Тепловой и диффузионный контакт двух макросистем. Условия равновесного состояния для контактирующих систем. Энтропия, и её физический смысл. Температура. Химический потенциал и его физический смысл. Закон возрастания энтропии и второе начало термодинамики. Тепло и работа. Первое начало термодинамики. Фактор Гиббса и фактор Больцмана. Большая статистическая сумма. Функции распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Понятие о бозонах и фермионах. Идеальный газ. Химический потенциал, энергия и энтропия идеального газа. Газовые законы. Изо процессы в идеальном газе. Теплоёмкость идеального газа. Распределение Больцмана и барометрическая формула. Распределение Максвелла. Тепловые машины. Цикл Карно. К.П.Д. идеальной и реальной тепловой машины. Вырожденный электронный газ. Теплоёмкость вырожденного электронного газа.
Модуль 7. Физика конденсированных систем. Физика ядра, элементарные частицы.		1, 9, 14, 15
Кристаллическая решётка. Тепловые свойства кристаллов. Акустические и оптические колебания в кристаллах. Теплоёмкость кристалла. Образование энергетических зон в кристаллах. Заполнение зон электронами. Деление кристаллов на проводники, диэлектрики и полупроводники. Собственные и примесные полупроводники. Зависимость проводимости . полупроводников от температуры. Контакт полупроводников с разным типом проводимости (p-n переход). Выпрямляющее действие p-n перехода. Элементы квантовой электроники. Вынужденное излучение. Принцип работы лазера. Строение атомного ядра. Модели ядра. Ядерные реакции. Радиоактивные превращения ядер. Управляемый термоядерный синтез. Стандартная модель элементарных частиц. Кварки, лептоны и кванты фундаментальных полей.

 

4.2 Содержание практических занятий (всего часов –51)

 

Блок, модуль, раздел, тема	Учебная деятельность	Часы	Ссылки на цели курса
Семестр № 2
1. Кинематика материальной точки. 2. Динамика материальной точки. 3. Динамика вращательного движения твердого тела. 4. Законы сохранения. 5. Электрическое поле в вакууме. 6. Теорема Гаусса- Остроградского. 7. Потенциал. 8. Законы постоянного тока.
Семестр № 3
1. Магнитное поле в вакууме. Закон полного тока. 2. Сила Лоренца, сила Ампера. 3. Гармонические колебания. Гармонический осциллятор. 4. Осциллятор с трением. Затухающие колебания. Вынужденные колебания осциллятора . 5. Волны.   6. Интерференция волн.   7. Дифракция волн . 8. Поляризация волн.

 

 

Семестр № 4
1. Волновые свойства частиц. Соотношения неопределенностей.   2. Уравнение Шредингера.   3. Молекулы.   4. Статистические распределения.   5. Термодинамика.   6. Тепловые свойства твердых тел.   7. Полупроводники.   8. Радиоактивность.

4.3. Содержание лабораторных занятий (всего часов –102)

4.3. Содержание лабораторных занятий

Модуль, блок, раздел, тема	Учебная деятельность	Часы	Ссылкина цели
Семестр №2
1. Вводное занятие (методы обработки систематической и случайной погрешности)
2. Измерение скорости пули с помощью баллистического маятника
3. Измерение времени и средней силы упругого соударения шаров
4. Определение момента инерции маятника Обербека
5. Определение момента инерции тела
6. Определение момента инерции тела методом колебаний
7. Исследование электростатического поля
8. Изучение работы батареи элементов
Семестр № 3
1. Методы измерения электрических величин
2. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона (компьютерное моделирование)
3. Изучение петли гистерезиса и измерение параметров ферромагнетика
4. Изучение сложения колебаний
5. Свободные электромагнитные колебания
6. Изучение интерференции света от двух щелей
7. Дифракция лазерного излучения
8. Поляризация света
Семестр №4
1. Изучение температуры и интегрального коэффициента излучения тела методом спектральных отношений
2. Дифракция микрочастиц (компьютерное моделирование)
3. Определение ширины запрещённой зоны проводника
4. Эффект Холла
5. Исследование свойств фоторезистора
6.Исследование свойств терморезистора
7. Распределение электронов по скоростям при термоэлектронной эмиссии
8. Изучение полупроводникового диода

 

 

4.4. Структура дисциплины