Физика

2020/2021

Учебный год

RUS

Обучение ведется на русском языке

5

Кредиты

Кто читает:

Департамент электронной инженерии

Статус:

Курс обязательный

Когда читается:

1-й курс, 3, 4 модуль

Преподаватели

Бессонова Людмила Павловна

Короткова Галина Константиновна

Попова Елена Арнольдовна

Седов Егор Андреевич

Программа дисциплины

Аннотация

Физика – наука, изучающая общие свойства и законы движения вещества и поля (А.Ф.Иоффе). Вещество и поле встречаются в любых материальных системах, поэтому физика составляет основу всего современного естествознания. Специалисты, получившие широкое физико-математическое образование, могут самостоятельно осваивать новые технические направления, успешно работать в них, легко переходить от решения одних задач к решению других, искать нестандартные и нетрадиционные пути, что особенно важно для профессиональной мобильности специалистов в условиях ускоренного развития техники. Основными задачами курса физики являются формирование научного мировоззрения и современного физического мышления. Изучение основных физических явлений и идей, овладение фундаментальными понятиями, принципами, законами и теориями современной физики, а также получение навыков проведения физического эксперимента вырабатывает специфический метод мышления, физическую интуицию, которые оказываются весьма плодотворными и в других науках. Последовательное изучение курса физики способствует формированию современных представлений в области механики, термодинамики и статистической физики, электричества и магнетизма, основ теории колебаний и волн, оптики, основ квантовой физики и физики твердого тела, атомной и ядерной физики. Овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики помогут в дальнейшем решать практические задачи. Дисциплина «Физика» читается студентам специалетета программы «Компьютерная безопасность» (направление 10.05.01.) Департамента Прикладной математики преподавателями Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ. Физика относится к числу обязательных дисциплин математического и естественно-научного цикла базового учебного плана и предлагается студентам с третьего модуля 1-ого года обучения по второй модуль второго года обучения. Предусмотренный учебным планом текущий контроль по дисциплине включает: контрольные работы, коллоквиумы, лабораторные работы, тесты и семинары. Экзамен проводится в четвертом модуле 1-ого года обучения и во втором модуле 2-ого года обучения.

Цель освоения дисциплины

• Целями освоения дисциплины «Физика» являются: • формирование современного естественнонаучного мировоззрения; • получение базовых знаний по подготовке к производственной деятельности; • формирование профессиональных компетенций, связанных с использованием полученных знаний в дальнейшей производственной деятельности.

Планируемые результаты обучения

• знает законы молекулярно-кинетической теории газов, знает основы статистической физики, знает определения основных физических величин и законы термодинамики
• решает типовые прикладные физические задачи
• знает основные определения физических величин, законы и теоремы электростатики
• знает основные определения физических величин и законы по теме Постоянный ток
• знает основные уравнения и законы электромагнетизма,- знает характеристики и уравнения электромагнитных колебаний и волн
• знает основные определения кинематических величин, знает законы динамики поступательного и вращательного движений; знает характеристики и уравнения механических колебаний и волн
• знает основные положения, законы и следствия специальной теории относительности
• владеет навыками проведения физического эксперимента и обработки его результатов

Содержание учебной дисциплины

• Тема 1. Механика. Механические колебания и волны
  Кинематика материальной точки и твердого тела • Предмет физики и ее связь с другими науками. Механика и ее структура. Научные абстракции: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело. • Радиус-вектор, траектория, длина пути. Вектор перемещения. Средняя скорость, мгновенная скорость. Среднее ускорение, мгновенное ускорение. Соотношения между кинематическими величинами поступательного движения. Тангенциальное и нормальное ускорение. Классификация движения. • Вектор углового перемещения, угловой скорости, ускорения. Связь между линейными и угловыми величинами. Динамика поступательного движения тела • Первый закон Ньютона. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Сила. Инертность. Масса. Импульс. Второй закон Ньютона. Принцип независимости сил. Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса. Связь закона сохранения импульса с однородность пространства. Движение центра масс. • Работа, мощность. Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Связь силы и потенциальной энергии. Закон сохранения энергии. Связь закона сохранения энергии с однородностью времени. Графическое представление энергии. Потенциальные кривые. Динамика вращательного движения тела • Момент инерции материальной точки и системы тел. Теорема Штейнера. • Момент силы относительно точки и оси вращения. Момент импульса относительно точки и оси вращения. • Основное уравнение динамики вращательного движения. • Работа при вращении. Кинетическая энергия вращения. • Закон сохранения момента импульса. Связь закона сохранения момента импульса с изотропностью пространства Механические колебания и волны • Гармонические колебания и их характеристики: амплитуда колебаний, фаза колебаний, начальная фаза колебаний, циклическая частота, период, частота колебаний. Комплексная форма представлений колебаний. Метод вращающегося вектора. Механические гармонические колебания. Энергия гармонических колебаний. Гармонический осциллятор. Дифференциальное уравнение свободных колебаний и его решение. Пружинный маятник. Физический маятник. Математический маятник. Приведенная длина физического маятника . • Свободные затухающие колебания. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний и его решение. Амплитуда, фаза, начальная фаза, циклическая частота, период затухающих колебаний. Декремент затухания. Логарифмический декремент затухания. Время релаксации • Вынужденные колебания. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний от частоты. Резонанс. • Сложение колебаний одного направления с близкими частотами (биения). Сложение двух гармонических колебаний одинаковой частоты и одного направления. Сложение взаимоперпендикулярных колебаний. Сложение колебаний с разными, но кратными частотами. • Волновые процессы. Упругие волны. Продольные и поперечные волны. Волновой фронт. Волновая поверхность. Волновое уравнение. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость волны. Вектор Умова. Интерференция волн. Стоячие волны.
• Тема 2. Элементы специальной теории относительности
  • Принцип относительности Галилея и Эйнштейна. Принцип постоянства скорости света. Преобразования Галилея и Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца: одновременность событий, длительность событий и длина тел в различных системах отсчета. Релятивистский закон сложения скоростей. Интервал. Пространственноподобные и времениподобные интервалы. Связь собственного времени и интервала. • Релятивистский импульс. Энергия в релятивистской механике. Связь энергии и массы. Связь импульса и энергии.
• Тема 3. Термодинамика и статистическая физика
  Физические основы молекулярно-кинетической теории • Молекулярная масса, молярная масса, объем, концентрация, количество вещества, плотность вещества. Состояние системы. Процесс. Равновесный, обратимый и необратимый, круговой процессы. • Уравнение состояния идеального газа. • Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Средняя квадратичная скорость и средняя энергия. Элементы статистической физики • Вероятность состояния. Статистическое распределение. Функция распределения. Условие нормировки для функции распределения. Свойства функции распределения. Среднее значение физической величины. • Распределение Гиббса. Распределение Максвелла по компонентам скоростей и по абсолютным скоростям. График функции распределения по скоростям. Наиболее вероятная скорость. Средняя скорость. Средняя квадратичная скорость. Функция распределения по энергиям. Средняя энергия. • Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Физические основы термодинамики • Температура. Международная практическая и термодинамическая шкала температур. • Внутренняя энергия. Степени свободы. Распределение энергии по степеням свободы. Работа газа при изменении его объема. Теплота. Первое начало термодинамики. • Удельная теплоемкость. Молярная теплоемкость. Теплоемкость при постоянном объеме и постоянном давлении. Уравнение Майера. • Уравнение адиабаты идеального газа. • Макро- и микросостояния. Статистический вес. Энтропия. Формула Больцмана. Второе начало термодинамики. Приращение энтропии при обратимом и при необратимом процессе. Третье начало термодинамики. • Тепловой двигатель. Холодильная установка. Цикл Карно и его к.п.д. для идеального газа. Формулировки второго начала термодинамики Клаузиуса и Кельвина.
• Тема 4. Электростатика
  • Заряд. Точечный заряд. Закон Кулона. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Единицы напряженности. Силовые линии напряженности. Принцип суперпозиции полей. • Поле диполя. Поведение диполя во внешнем поле. • Поток вектора напряженности электростатического поля. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме. Дифференциальная формулировка теоремы Гаусса. Дивергенция вектора Е. Расчет полей с помощью теоремы Гаусса: поле бесконечной заряженной плоскости, двух плоскостей, сферической поверхности, объемно заряженного шара, объемно заряженного цилиндра, нити. • Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Теорема о циркуляции вектора Е (интегральная формулировка). Дифференциальная формулировка теоремы о циркуляции. Потенциальность электростатического поля. Ротор вектора Е. • Потенциал электростатического поля. Единицы потенциала. Потенциал системы зарядов. Связь напряженности и потенциала. Вычисление потенциала по напряженности: равномерно заряженная плоскость, объемно заряженный шар, объемно заряженный цилиндр. • Проводники в электростатическом поле. Поле внутри проводника и вблизи поверхности проводника. • Типы диэлектриков: полярные, неполярные, ионные. Поляризация диэлектриков. Поляризованность, напряженность поля в диэлектрике. Связанный заряд. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для вектора D. Условие на границе раздела двух диэлектриков: тангенциальные и нормальные составляющие векторов Е и D. • Электроемкость уединенного проводника. Единицы электроемкости. Конденсаторы. Емкости плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. • Энергия системы зарядов. Энергия уединенного заряженного проводника. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля. Плотность энергии электростатического поля.
• Тема 5. Постоянный электрический ток
  • Электрический ток. Сила и плотность тока. Сторонние силы. Напряженность поля сторонних сил. Электродвижущая сила. Работа поля сторонних сил и электростатического поля. Напряжение. Закон Ома для однородного участка цепи в интегральной и дифференциальной формах. Закон Ома для неоднородного участка цепи (обобщенный закон Ома) в интегральной и дифференциальной формах. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
• Тема 6. Электромагнетизм и электромагнитные колебания и волны
  Электромагнетизм • Магнитное поле. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле движущегося заряда. Закон Ампера. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Эффект Холла. Поведение витка с током в магнитном поле. • Теорема Гаусса для вектора B в интегральной и дифференциальной формах. Теорема о циркуляции для вектора B в интегральной и дифференциальной формах. • Магнитное поле в веществе. Макро- и микротоки. Намагниченность. Вектор напряженности магнитного поля. Теорема о циркуляции для вектора H. Магнитная восприимчивость. Связь вектора B и H. Диамагнетики. Парамагнетики. Ферромагнетики. • Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. • Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Индуктивность контура. Явление самоиндукции. Ток при замыкании и размыкании цепи. Взаимная индукция. • Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля. • Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля. Свойства уравнений Максвелла. Электромагнитные колебания и волны • Свободные колебания в колебательном контуре. Свободные затухающие колебания в колебательном контуре. Вынужденные колебания. Резонанс напряжения и тока. • Электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Импульс электромагнитной волны. Шкала электромагнитных волн.

Элементы контроля

• Коллоквиум
  Тематика коллоквиума - кинематика и динамика поступательного и вращательного движений материальной точки и твердого тела; механические колебания и волны; элементы специальной теории относительности. Коллоквиум проводится в письменной форме на 5-ом семинарском занятии третьего модуля.
• Контрольная работа
  Тематика контрольной работы - кинематика и динамика поступательного и вращательного движений материальной точки и твердого тела; механические колебания и волны. Контрольная работа проводится на 5-ом семинарском занятии третьего модуля.
• Семинар
• Лабораторные работы
  Лабораторные работы выполняются бригадами (по 2 человека) в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ, который представлен на сайте Департамента электронной инженерии МИЭ НИУ ВШЭ в разделе «Учебная лаборатория волновой и квантовой оптики, атомной и ядерной физики». График составлен на один модуль. Выполнение и сдача лабораторной работы состоит из 4-х этапов: 1. Допуск к выполняемой лабораторной работе. Для получения допуска к выполнению лабораторной работы студент должен подготовить дома конспект и предъявить его преподавателю на занятии до выполнения лабораторной работы. За конспект и ответы на вопросы преподавателя по порядку выполнения данной лабораторной работы преподаватель ставит свою подпись в графе «Допуск» в контрольном листе рабочей тетради студента. Это означает, что студент допущен к выполнению данной лабораторной работы. При отсутствии допуска студент не имеет права приступить к выполнению лабораторной работы. 2. Выполнение лабораторной работы. Работа может выполняться только в присутствии преподавателя в лаборатории. После выполнения необходимо получить подпись инженера о сдаче лабораторного имущества, и подпись преподавателя о выполнении работы и правильности полученных экспериментальных результатов. Подпись преподавателя за выполнение ставится только в том случае, если результаты эксперимента занесены в рабочую тетрадь студента ручкой. При отсутствии подписи преподавателя за этот этап к выполнению следующего этапа студент не допускается. 3. Сдача теоретического материала по теме лабораторной работы. Происходит в устной форме, согласно графику выполнения работ, как правило, на следующем занятии после выполнения лабораторной работы. Если теоретическая часть не сдана в отведенное на занятии время, то сдача/пересдача этого этапа может происходить в присутственные часы преподавателя в свободное от учебы время 4. Представление результатов измерений и расчетов. Расчет и обработка результатов измерений проводится на занятии или дома и представляется преподавателю, как правило, на следующем занятии после выполнения работы. Если один из этапов лабораторной работы не выполнен или получена неудовлетворительная оценка за 3 или 4 этапы, то за данную лабораторную работу ставится оценка Лрi =0 баллов. Оценка за каждую лабораторную работу является блокирующей, т.е если за одну из лабораторных работ получена оценка Лрi =0 баллов, то выставляется результирующая оценка за выполнение и сдачу лабораторных работ Лр =0 баллов (за данный аттестационный период) и промежуточная оценка (Пi) в целом приравнивается к 0 баллов до тех пор, пока студент не получит положительную оценку за данную лабораторную работу. Когда студент получит положительную оценку за данную лабораторную работу (сразу или на пересдаче), то результирующая оценка за Лабораторные работы и промежуточная оценка (Па) рассчитывается с учетом полученной положительной оценки. В условиях пандемии, когда все занятия проводятся в онлайн формате (3-й модуль), выполнение лабораторных работ не проводится, но студенты обязаны сдавать теоретический материал по теме данной лабораторной работы. В этот период оценка за каждую лабораторную работу ставится по сданному теоретическому материалу: Лрi = 1*Теория. В 4-м модуле при переходе в офлайн формат, студенты должны выполнить и сдать все работы, которые предусмотрены графиком 4-го модуля. Блокирующий характер оценок за каждую работу остается как в период офлайн обучения, так и в период онлайн обучения.
• Экзамен
  Экзамен проводится в конце четвертого модуля. Темы экзамена: Термодинамика и молекулярная физика; электростатика и постоянный ток; электромагнетизм и электромагнитные колебания и волны. Экзамен проводится в устной форме на платформе Zoom. Для прохождения экзамена студент обязан иметь компьютер, видеокамеру и микрофон. Идентификация личности студента происходит при входе в конференцию Zoom по паспорту. При нарушении связи более чем на 5 мин. на любом этапе прохождения экзамена, студент приглашается на пересдачу в период переэкзаменовок. Преподаватель вправе освободить от прохождения экзамена студентов, выполнивших дополнительную проверочную работу (подробнее в разделе Промежуточная аттестация).
• Тесты

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (4 модуль)
  0.09 * Коллоквиум + 0.18 * Контрольная работа + 0.09 * Лабораторные работы + 0.06 * Семинар + 0.18 * Тесты + 0.4 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Курс общей физики. Кн.1: Механика, Савельев, И. В., 2001
• Курс общей физики. Кн.2: Электричество и магнетизм, Савельев, И. В., 2001
• Курс общей физики. Кн.3: Молекулярная физика и термодинамика, Савельев, И. В., 2001
• Сборник задач по курсу физики для втузов : учеб. пособие, Трофимова, Т. И., 2003

Рекомендуемая дополнительная литература

• Курс физики : учеб. пособие для вузов, Трофимова, Т. И., 2005
• Общий курс физики. Т.1: Механика, Сивухин, Д. В., 2014
• Общий курс физики. Т.2: Термодинамика и молекулярная физика, Сивухин, Д. В., 2014
• Общий курс физики. Т.3: Электричество, Сивухин, Д. В., 2015