Название: Общая физика - Методическое пособие (Г.Е. Невская)

Жанр: Экономика

Просмотров: 1101


Введение

Преобразование многих технических вузов России в технические университеты предъявляет повышенные требования к фундаментальной подготовке их выпускников. В первую очередь это относится к подготовке по дисциплинам естественнонаучного цикла. В НГТУ базовый курс физики призван заложить универсальную базу для изучения общетехнических и специальных дисциплин, привить навыки использования математического аппарата для решения естественнонаучных и инженерных задач.

Курс физики в объеме 272 аудиторных часов студенты АВТФ изучают в течение трех семестров на I и II курсах (второй–четвертый семестры). Для успешного освоения всего содержания курса студент должен владеть основами высшей математики (понятие векторных величин и действий с векторами, основы дифференциального и интегрального исчисления, решение алгебраических, тригонометрических и дифференциальных уравнений

и др.). Курс входит в число дисциплин, включенных в учебные планы в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов. Ядро дисциплины составляют изучение физических законов, описание наиболее значимых явлений и процессов, происходящих в природе. При чтении лекций используются разнообразные стандартные демонстрационные установки, а также лабораторные стенды и моделирующие программы, разработанные на кафедре общей физики НГТУ. На практических занятиях студенты учатся применять положения теории для классификации физических явлений и систем, выбора законов, описывающих конкретные физические явления и системы, а также получения численных оценок.

При проведении практических занятий используются методические пособия и задачники, разработанные на кафедре общей физики, а также сборники задач центральных издательств.

По всем разделам курса физики для студентов АВТФ предусмотрены лабораторные занятия. В ходе выполнения лабораторных работ студенты наблюдают реальные физические явления, проводят их экспериментальные исследования, осуществляют обработку полученных результатов. Выполнение некоторых лабораторных работ проводится в терминальном классе кафедры с использованием моделирующих компьютерных программ.

Во время защиты каждой лабораторной работы студенты сравнивают результаты экспериментального исследования явлений с соответствующими теоретическими положениями. Текущий контроль и оценка уровня подготовки студентов по дисциплине проводится по результатам контрольных работ, на коллоквиумах и экзаменах.

Основу организации всей учебной деятельности студентов АВТФ при изучении курса физики составляет модульно-рейтинговая система обучения.

Данная работа адресована студентам АВТФ всех направлений подготовки, а также преподавателям, работающим на этом факультете. Настоящее пособие знакомит с основными целями и особенностями курса физики, требованиями Государственных образовательных стандартов по физике. В пособии приведена структура и содержание курса физики для всех видов учебной деятельности, изложены принципы организации и реализации модульно-рейтинговой системы обучения и текущего контроля знаний студентов по физике, содержатся образцы контролирующих материалов. Список основной и дополнительной учебной литературы рекомендован студентам для самостоятельной работы при изучении дисциплины.

1. Цели и задачи курса общей физики

Основная цель курса физики состоит в том, чтобы познакомить студентов с наиболее общими методами, законами и моделями современной физики, отразить специфику рационального метода познания окружающей природы, способствовать формированию у студентов физического мировоззрения и развитию физического мышления. В задачи курса физики входит обучение студентов методам самостоятельного решения научно-технических проблем, работе с приборами и лабораторным оборудованием и привитие умений адекватно проводить измерения и грамотно обрабатывать экспериментальные результаты.

В результате изучения курса физики студент будет

иметь представление:

о фундаментальных закономерностях развития Вселенной;

об эмпирическом и теоретическом подходах к решению проблем познания закономерностей процессов, происходящих в природе;

о дискретности и непрерывности в природе;

 соотношении порядка и беспорядка в природе, закономерностях и направлении развития физических систем;

 принципах симметрии и законах сохранения;

 фундаментальных константах естествознания;

 современном состоянии естествознания в целом и физики в частности;

 перспективах развития науки и применении результатов естественнонаучных исследований;

 связях курса физики с другими естественнонаучными дисциплинами;

знать:

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;

принципы применения физических законов к конкретным физическим системам;

правила, которые необходимо применять для решения физических задач на основе законов физики;

уметь:

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

выделять законы, описывающие конкретные физические системы;

использовать методы экспериментального и теоретического исследования физических систем;

оценивать численные порядки величин, характерных для различных физических объектов.

2. Требования Государственных образовательных

стандартов к содержанию курса физики

На факультете автоматики и вычислительной техники НГТУ подготовка дипломированных специалистов осуществляется по следующим направлениям:

551 500 – Приборостроение;

550 200 – Автоматизация и управление;

552 800 – Информатика и вычислительная техника;

553 400 – Биомедицинская инженерия.

Для указанных направлений Государственные образовательные стандарты предъявляют определенные требования к содержанию курса физики. В соответствии с этими требованиями в содержании курса физики для направления подготовки «Приборостроение» должны быть отражены:

– физические основы механики: понятие состояния в классической механике; уравнения движения; законы сохранения; основы релятивистской механики; принцип относительности в механике; кинематика и динамика твердого тела, жидкостей и газов;

– электричество и магнетизм: электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе; уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах; материальные уравнения; квазистационарные токи, принцип относительности в электродинамике;

– физика колебаний и волн: гармонический и ангармонический осцилляторы; физический смысл спектрального разложения; кинематика волновых процессов; нормальные моды; интерференция и дифракция волн; элементы Фурье-оптики;

– квантовая физика: корпускулярно-волновой дуализм; принцип неопределенности; квантовые состояния; принцип суперпозиции; квантовые уравнения движения; операторы физических величин; энергетический спектр атомов и молекул; природа химической связи;

– статистическая физика и термодинамика: три начала термодинамики; термодинамические функции состояния; фазовые равновесия и фазовые превращения; элементы неравновесной термодинамики; классическая и квантовые статистики; кинетические явления; системы заряженных частиц; конденсированное состояние; физический практикум.

Для направлений подготовки «Автоматизация и управление», «Информатика и вычислительная техника» и «Биомедицинская инженерия» в содержании курса физики должны быть отражены:

– 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 осцилляторы; свободные и вынужденные колебания; интерференция и дифракция волн;

– молекулярная физика и термодинамика: три начала термодинамики; термодинамические функции состояния; классическая и квантовые 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.

3. Структура курса физики

Весь теоретический материал курса физики делится на части (модули), представленные ниже в их взаимосвязи.

 

 

 

4. Содержание курса

На основе ранее приведенных Государственных образовательных стандартов и типовой программы по физике была составлена рабочая программа, содержание которой представлено ниже.

I-я часть (второй семестр)

(лекции – 34 ч, практические занятия – 17 ч,

лабораторные занятия – 34 ч)

Часы

 

 

Введение

Физика как наука. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Математика и физика. Физика и естествознание. Философия и физика. Важнейшие этапы истории физики. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Физика как культура моделирования. Физические модели. Компьютеры в современной физике. Роль физики в образовании. Общая структура и задачи курса физики. Роль измерения в физике. Единицы измерения и системы единиц. Основные единицы СИ

12 ч

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

(лекции – 16 ч, практические занятия – 10 ч,

лабораторные занятия – 16 ч)

Предмет механики. Классическая и квантовая механика. Нерелятивистская и релятивистская классическая механика. Кинематика и динамика. Основные физические модели: частица (материальная точка), система частиц, абсолютно твердое тело, сплошная среда

1.1. Элементы кинематики

Пространственно-временные отношения. Система отчета. 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 твердого тела

1.2. Элементы динамики частиц

Понятие состояния частицы в классической механике. Основная   задача   динамики.  Первый   закон   Ньютона.

 

Понятие инерциальной системы отсчета. Масса. 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

1.3. Законы сохранения в механике

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

1.4. Элементы механики твердого тела

Уравнения движения твердого тела. Момент инерции тела относительно оси. Вращательный момент. Основное уравнение динамики вращательного движения. Энергия тела, совершающего поступательное и вращательное движения. Работа при вращении твердого тела

4 ч

1.5. Принцип относительности в механике

Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Инварианты преобразования

1.6. Элементы релятивистской механики

Принцип относительности в релятивистской механике. Преобразование Лоренца для координат и времени и их следствия. Релятивистский импульс. Инвариантность уравнений движения относительно преобразований Лоренца. Полная энергия частицы