Институт математики, физики, химии и информационных технологий

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики, физики, химии и информационных технологий

Кафедра радиофизики

Дубов В.П.

ФИЗИКА

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа

для студентов направления 022000.62 «Экология и природопользование»

Профиль подготовки «Геоэкология», «Природопользование»

Форма обучения очная

Тюменский государственный университет

Дубов В.П. Физика Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 022000.62 «Экология и природопользование» Профиль подготовки «Геоэкология», «Природопользование» , форма обучения очная.

Тюмень, 2011, 20 стр.

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.

Рабочая программа дисциплины «Физика» опубликована на сайте ТюмГУ: «Физика» [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.

Рекомендовано к изданию кафедрой радиофизики. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой радиофизики Михеев В.А.

© Тюменский государственный университет, 2011.

© Дубов В.П. 2011.

Пояснительная записка

Дисциплина «Физика» в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки 022000.62 «Экология и природопользование» является дисциплиной профессионального цикла ООП подготовки бакалавра модуля «Геоэкология», «Природопользование» . Учитывая, что объектами профессиональной деятельности бакалавров этого направления являются все виды наблюдающихся в природе физических явлений и объектов, обладающих механическими, молекулярными, термодинамическими, электрическими, оптическими и квантовыми свойствами, понимание основных законов, закономерностей и явлений из разных областей общей физики позволит успешно решать профессиональные задачи. Дисциплина «Физика» - посвящена изучению основных законов движения и взаимодействия материальных тел в микро-, макро- и мегамире, основ колебательных, волновых процессов и строения вещества.

1.1. Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины «Физика» является формирование у студентов общих знаний по основам механики, молекулярной теории, термодинамики, электричества, теории колебаний и волновых процессов, электричества и магнетизма, оптики и квантовой теории. Эта дисциплина - призвана помочь студенту овладеть основами знаний в области физики, понимать суть явлений в окружающем нас мире.

Задачами дисциплины «Физика» являются:

· обеспечить усвоение студентами курса физики; создать базу для изучения специальных дисциплин; сформировать целостное представление о процессах и явлениях; происходящих в живой и неживой природе; ознакомить с методологией построения простейших физических моделей, лежащих в основе физической картины мира. Одной из важнейших задач курса, является формирование научного мышления, умения видеть естественно – научное содержание проблем возникающих в практической деятельности специалиста;

· научить использовать базовые знания в области математики и естественных наук, их использованию в профессиональной деятельности;

· научить самостоятельно приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии;

· привить навыки к правильному использованию общенаучной и специальной терминологии;

· одной из важнейших задач курса, является формирование научного мышления, умения видеть естественно – научное содержание проблем возникающих в практической деятельности специалиста.

1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

«Физика» является дисциплиной базовой части профессионального цикла для направления 022000.62 «Экология и природопользование». Содержание курса базируется на знаниях, приобретённых при изучении математики и физики в средней школе и начальных знаниях математического анализа и химии, полученных студентами в первом семестре обучения.

1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной дисциплины

В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на формирование следующих компетенций:

обладать базовыми знаниями фундаментальных разделов физики, химии и биологии в объёме, необходимом для освоения физических, химических и биологических основ в экологии и природопользовании; владеть методами химического анализа геологических и биологических проб; иметь навыки идентификации и описания биологического разнообразия, его оценки современными методами количественной обработки информации (ПК-2).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

· знать основные понятия и законы классической механики; молекулярной физики и термодинамики; электромагнитного поля; геометрической и волновой оптики; квантовой физики; атомной и ядерной физики; модельные теории атома, атомного ядра и элементарных частиц; строение и этапы эволюции Вселенной, математические методы применяемые в физических теориях;

· уметь: оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных исследований, проводить математическую обработку, полученных результатов, соотносить наблюдаемые явления с физическими законами и применять эти законы в профессиональной деятельности;

· владеть: приемами и навыками решения конкретных задач из разных областей общей физики общечеловеческого знания, способствующих в дальнейшем решать инженерные задачи в профессиональной деятельности.

2. Структура и трудоемкость дисциплины.

Дисциплина «Физика» читается в первом семестре.Форма промежуточной аттестации - экзамен. Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы (з.е.), 144 часа.

Таблица 1

3. Тематический план

Таблица 2

Таблица 3

Планирование самостоятельной работы студентов

Таблица 4

4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами.

5. Содержание дисциплины.

Модуль 1.

Тема 1.1. Основы механики.Кинематика материальной точки. Относительность движения. Системы отсчета. Перемещение, скорость, ускорение. Кинематика движения по криволинейной траектории. Движение по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Динамика материальной точки. Инерциальные и неинерциальные системы отсчёта.

Тема 1.2. Законы динамики. Законы Ньютона. Масса. Сила. Уравнения движения. Закон всемирного тяготения. Силы инерции. Понятие замкнутой системы. Импульс материальной точки, системы материальных точек. Закон сохранения импульса. Работа сил. Кинетическая энергия материальной точки. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике.

Тема 1.3. Законы движения твердых тел. Момент импульса материальной точки и системы материальных точек. Момент силы. Движение твердого тела. Динамика вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси. Момент инерции Кинетическая энергия вращающегося тела. Плоское движение твердого тела. Законы Кеплера.

Тема 1.4. Механика жидкости. Элементы гидро- и аэродинамики. Движение идеальной жидкости, поле скоростей, линии и трубки тока. Уранение непрерывности. Уравнение Бернулли. Ламинарные и турбулентные потоки.

Тема 1.5. Молекулярная физика Основные представления молекулярно-кинетической теории.Средние значения, флуктуации. Термодинамические параметры. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Барометрическая формула. Атмосфера Земли и других планет. Явления переноса: диффузия, внутреннее трение и теплопроводность. Тема 1.6. Основы термодинамики. Внутренняя энергия идеального газа. Работа термодинамической системы. Количество теплоты. Теплоемкость. Первый закон термодинамики. Циклические процессы. Цикл Карно. Коэффициент полезного действия тепловых машин.

Тема 1.7. Реальные газы, жидкости и кристаллы. Переход из газообразного состояния в жидкое. Сжижение газов. Испарение и кипение жидкостей*. Насыщенный пар*. Точка росы*. Поверхностное натяжение жидкости. Капиллярные явления. Твердые тела*. Ближний и дальний порядок в расположении атомов

Модуль 2.

Тема 2.1. Электростатика. Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Потенциал. Разность потенциалов. Диэлектрик в электрическом поле. Диполь. Дипольный момент. Вектор поляризации. Электростатическая теорема Гаусса. Вектор электрической индукции. Проводник в электрическом поле. Распределение зарядов на проводнике. Электрическая емкость. Конденсаторы. Энергия электрического поля.

Тема 2.2. Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока Закон Ома. Электродвижущая сила. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля Ленца.

Тема 2.3. Магнитное поле. Магнитное поле тока. Законы Био-Савара-Лапласа и Ампера. Сила Лоренца. Вектор магнитной индукции. Поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность. Магнитные свойства вещества.

Тема 2.4. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Индуктивность. Самоиндукция. Плотность энергии магнитного поля. Трансформатор.

Тема 2.5. Гармонический осциллятор. Уравнение свободных колебаний (груз на пружине, математический и физический маятники). Затухающие колебания. Вынужденные колебания, явление резонанса.

Тема 2.6. Волны в упругих средах.Основные характеристики волн. Продольные и поперечные волны, поляризация волн. Принцип суперпозиции волн. Явление интерференции. Эффект Доплера. Колебательный контур. Свободные колебания. Собственная частота. Затухающие колебания. Вынужденные колебания.

Тема 2.7. Переменный ток. Электромагнитные волны Явление электрического резонанса. Закон Ома для переменного тока. Реактивное сопротивление. Мощность переменного тока. Связь электрического и магнитного полей. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. Электромагнитные волны. Волновое уравнение. Скорость распространения электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн.

Модуль 3.

Тема 3.1. Световые волны. Электромагнитная природа света. Оптический и видимый диапазоны электромагнитных волн. Волновое уравнение. Скорость света. Гармоническая волна. Волновой фронт. Поляризация электромагнитных волн. Естественный свет. Энергетические и фотометрические характеристики светового потока. Дисперсия света. Линии поглощения. Закон Бугера. Законы отражения и преломления. Угол Брюстера. Коэффициенты отражения и преломления света. Оптические явления в атмосфере*. Земная рефракция*. *Радуга. Миражи. Интерференция света. Интерференция монохроматических волн. Двулучевая интерференция. Суперпозиция плоских волн. Разность хода.

Тема 3.2. Интерференция света. Условия интерференционных максимумов и минимумов. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Пятно Пуассона. Дифракция Фраунгофера. Дифракция света на щели. Дифракционная расходимость. Разрешающая способность. Лазеры. Инверсная населенность. Принцип работы и конструкция лазера. Свойства лазерного излучения. Рентгеновские лучи. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Формула Вульфа-Брегга.

Тема 3.3. Тепловое излучение. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Формулы Релея-Джинса и Планка, квантовый характер излучения. Взаимодействие фотонов с электронами. Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна. Давление света, опыты П.Н. Лебедева.

Тема 3.4. Боровская теория атома. Опыты Резерфорда. Постулаты Бора. Периодическая система элементов Д.И Менделеева. Взаимодействия атомов. Природа химической связи. Молекулы и кристаллы. Гипотеза де Бройля. Принцип неопределенности. Уравнение Шредингера. Корпускулярно-волновой дуализм: фотоны и микрочастицы. Атомное ядро. Состав ядра атома. Взаимодействие нуклонов в ядре. Естественная и искусственная радиоактивность. Ядерные реакции, деление ядер. Цепные реакции. Использование ядерной энергии. Возраст Вселенной. Теория расширения Вселенной. Основные представления и идеи общей теории относительности и ее следствия.

Планы семинарских занятий

Семинарские занятия учебным планом ООП не предусмотрены.

7. Учебно – методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Примерный перечень лабораторных работ

1. Определение ускорения свободного падения и математическая обработка результатов измерений.

2. Экспериментальное изучение законов сохранения в механике

3. Измерение момента инерции тел с помощью прибора Обербека.

4. Изучение процессов в газах и определение показателя адиабаты.

5. Исследование вязкости воздуха.

6. Определение динамической вязкости жидкостей.

7. Определение скорости звука и показателя адиабаты в газах.

8. Изучение свойств электрического поля.

9. Ознакомление с работой осциллографа.

10. Изучения выпрямительных свойств полупроводников.

11. Измерение магнитного поля соленоида.

12. Изучение работы полупроводниковых приборов.

13. Изучение затухающих колебаний в электрическом контуре.

14. Изучение магнитного поля Земли.

Примерные контрольные вопросы к лабораторным работам

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 1: «Определение ускорения свободного падения и математическая обработка результатов измерений».

1. Что такое маятник, и какие виды маятников вы знаете?

2. Поясните понятия: математический и физический маятники.

3. Что называется периодом колебаний, амплитудой и фазой колебаний, частотой, циклической частотой?

4. Поясните понятия: собственные, свободные и вынужденные колебания маятника.

5. Как зависит период колебаний математического маятника от его массы?

6. Поясните понятия: абсолютная и относительная погрешности измерений, приведите примеры.

7. Как зависит погрешность измерений от числа измерений?

8. Одинакова ли погрешность измерений времени колебаний и периода колебаний?

9. Запишите формулы для вычисления абсолютных погрешностей прямых и косвенных измерений.

10. Зависит ли ускорение свободного падения от широты местности и высоты над уровнем моря?

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 2:

«Экспериментальное изучение законов сохранения в механике»

1. Что такое столкновение? Какие столкновения называют упругими? Неупругими? Приведите примеры (кроме столкновения шаров).

2. Запишите баланс энергий по образцу формулы (2) для неупругого столкновения шаров.

3. Запишите баланс импульсов для обоих типов столкновений.

4. Поясните понятие «внутренняя энергия».

5. Вычислите долю энергии шаров переходящую во внутреннюю энергию при неупругом столкновении, пользуясь результатами работы.

6. Дайте определение понятию «аддитивности» физической величины. Приведите примеры аддитивных величин.

7. Используя полученные в данной работе результаты измерений, сделайте вывод о выполнении (или невыполнении) закона сохранения полной механической энергии при упругом и неупругом столкновении шаров, который запишите в отчёте.

8. Зная продолжительность упругого столкновения, Dt, вычислите силу удара, F.

9. За счёт чего уменьшается энергия шаров при реальных столкновениях?

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 3:

«Измерение момента инерции тел с помощью прибора Обербека».

1. При каком условии справедлива формула (9)?

2. Поясните физический смысл момента инерции.

3. Запишите основное уравнение динамики вращательного движения твёрдого тела?

4. Как с помощью прибора Обербека убедиться, в справедливости основного уравнения динамики вращательного движения твёрдого тела?

5. Какова зависимость момента инерции системы от расстояния объектов до оси вращения?

6. Как влияет масса падающего груза на момент инерции крестовины?

7. Соответствуют ли полученные в третьем задании результаты формуле (1)?

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 4:

«Определение динамической вязкости жидкостей».

1. Почему нужно выбирать размеры шариков много меньше диаметра сосуда?

2. Какие силы действуют на шарик в жидкости и как меняется их величина при движении шарика?

3. Каков механизм вязкости?

4. Как связаны явление вязкости и явление переноса импульса?

5. Каков характер движения шарика от поверхности жидкости до начала зоны измерения (зона 1), как меняется его скорость и ускорение.

6. Сравните движения и время установления скорости шарика в глицерине и в масле.

7. Напишите баланс сил, действующих на шарик в зоне 1 и зоне 2.

8. Сравните движение тел в жидкости и в воздухе.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 5:

«Изучение процессов в газах и определение показателя адиабаты».

1. Определение и график изотермического процесса

2. Определение и график адиабатного процесса

3. Определение и график изохорного процесса

4. Почему процесс накачивания газа в баллон можно считать изотермическим?

5. Почему процесс выпускания газа можно считать адиабатным?

6. Что называется числом степеней свободы? Подсчитайте количество степеней свободы для типа газа, исследованного в работе.

7. Что такое теплоёмкость? Виды теплоёмкостей.

8. Применить первое начало (закон) термодинамики для изотермического, адиабатического и изохорного процессов.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 6:

«Определение скорости звука и показателя адиабаты в газах».

1. Могут ли в газах распространяться поперечные волны? Почему?

2. Может ли звук распространяться в разреженном газе? Обоснуйте.

3. Какова предельная частота звука, который распространяется в газе?

4. Как связана скорость звука в газе с его плотностью и давлением?

5. Скорость звука зависит от молекулярного веса газа. С какой скоростью будет распространяться звук в смеси двух газов?

6. Дайте определение удельной и молярной теплоемкостей при а) постоянном давлении; б) при постоянном объеме.

7. Зависит ли g от температуры? Как это определить?

8. Какой процесс называется адиабатическим? Почему процесс распространения звука в воздухе можно считать адиабатическим?

9. По формуле (10) оценить количество степеней свободы молекул, из которых в основном состоит газ, исследуемый в работе.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 7:

«Изучение свойств электрического поля».

1. Какова связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом? Как экспериментально эта связь может быть проверена?
2. Что можно определить по силовым линиям электростатического поля?
3. Как направлены линии напряжённости поля по отношению к эквипотенциальным поверхностям (линиям)?
4. Определите по результатам измерений в данной работе напряжённость поля плоского конденсатора.
5. Сформулируйте закон Кулона и теорему Гаусса.
6. Определите величину потока вектора напряжённости поля через сферическую поверхность радиусом 1 см, расположенную между пластинами плоского конденсатора.
7. Чему равна напряженность электрического поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечной поверхностью?
8. Формула емкости плоского конденсатора.
9. Формула емкости цилиндрического конденсатора.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 8:

«Ознакомление с работой осциллографа».

1. Поясните способ наблюдения переменных электрических сигналов с помощью осциллографа.

2. Как правильно подключить осциллограф к контролируемому участку цепи?

3. Что называется периодом сигнала ?

4. В чём различие между внутренней и внешней синхронизацией осциллографа? В каких случаях такие способы синхронизации применяются?

5. Почему с помощью внутренней синхронизации нельзя увидеть начало импульса?

6. Каково назначение закрытого входа осциллографа?

7. Принцип работы ЭЛТ.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 9:

«Измерение магнитного поля соленоида».

1. Как определяется направление силовых линий магнитного поля внутри соленоида? (1)

2. В каком случае поле называется однородным? (1)

3. Значение напряженности магнитного поля в средней части соленоида, полученное из опыта, как правило, не совпадает со значением, полученным по формуле Н = In. Чем объяснить эту разницу? В каком случае она будет меньше? (3)

4. От чего зависит степень однородности магнитного поля внутри соленоида? (3)

5. Гибкий проводник расположен вблизи постоянного магнита. Что произойдет с проводником, если по нему пропустить ток? Ответ обосновать. (5)

6. На конце длинного постоянного магнита находится катушка, которая может свободно перемещаться вдоль магнита. Что произойдет с катушкой, если по ней пропустить ток того или иного направления? (3)

7. Сформулируйте основной закон электромагнитной индукции. (2)

8. В чём состоит суть правила Ленца? (5)

9. Направления намотки соленоида и измерительной катушки совпадают. Используя правило Ленца, определите направление тока в измерительной цепи в момент времени, когда направление тока в соленоиде соответствует 1-ой (2, 3, или 4-ой) четверти периода синусоиды. (10)

10. Зависит ли э.д.с. индукции в измерительной катушке от частоты тока в соленоиде? (8)

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 10:

1. Что такое акцепторные и донорные примеси полупроводников?

2. Что такое основные и неосновные носители тока в примесных полупроводниках?

3. Как образуется запирающий слой в р–n - переходе?

4. Каким образом можно получить выпрямитель переменного тока с помощью полупроводника с р–n - переходом?

5. Объяснить работу выпрямительных схем.

6. Как зависит величина (амплитуда) пульсаций напряжения на нагрузке от величины сопротивления нагрузки при подключенном конденсаторе?

Примерные вопросы к зачёту

Механика

1. Действия над векторами
2. Равномерное движение. Мгновенная и средняя скорости движения.
3. Определение и уравнение для равноускоренного движения. Среднее ускорение.
4. Виды ускорения при криволинейном движении.
5. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчёта.
6. Понятие силы. Второй закон Ньютона. Условие равновесия тела под действием сил.
7. Третий закон Ньютона. Примеры.
8. Импуль<