• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2020/2021

Физика

Статус: Курс обязательный (Химия)
Направление: 04.03.01. Химия
Когда читается: 1-й курс, 2-4 модуль
Формат изучения: без онлайн-курса
Охват аудитории: для своего кампуса
Язык: русский
Кредиты: 6

Программа дисциплины

Аннотация

Курс «Физика» предназначен для студентов Химического факультета ВШЭ. В ходе освоения этого курса студент получает знания основных законов классической и современной физики, осваивает методы физического исследования, узнает границы применимости различных физических законов и теорий. После успешного освоения курса студент должен овладеть навыками практического применения законов физики, стандартными теоретическими методами и моделями, их применением к решению конкретных физических задач. В качестве текущего контроля в курсе используются оценки за работу студентов на семинарах и оценки за письменные самостоятельные работы. В качестве промежуточной аттестации используются коллоквиумы или экзамены в конце каждого модуля.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • 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

Планируемые результаты обучения

  • знает определения основных физических величин и законы классической механики;
  • знает основные определения и законы статистической физики;
  • знает основные определения и законы электростатики;
  • знает определения основных физических величин и законы по теме Постоянный ток;
  • знает определения основных физических величин и законы электромагнетизма;
  • - знает определения основных физических величин и явления волновой оптики;
  • решает типовые прикладные физические задачи
  • знает уравнения и характеристики электромагнитных колебаний и волн;
Содержание учебной дисциплины

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. 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 молекулярной и статистической физики.
    Физические основы молекулярно-кинетической теории • 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. Распределение Максвелла-Больцмана. Реальный газ. Явления переноса. • Реальный газ: учет собственного объема молекул и учет сил притяжения. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ. Внутренняя энергия реального газа. • Явления переноса: диффузия, теплопроводность и вязкость.
  • Тема 3. 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 4. 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 5. 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.
  • Тема 6. Волновая оптика
    • Основные определения и законы геометрической оптики. Корпускулярная и волновая теории света. • Принцип Гюйгенса. Когерентность. Интерференция света. Связь разности фаз и оптической разности хода. Расчет интерференционной картины от двух источников. Методы наблюдения интерференции: метод Юнга, зеркала Френеля, бипризма Френеля. Интерференция в тонких пленках: полосы равного наклона и равной толщины. Кольца Ньютона. Просветление оптики. • Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция на круглом отверстии и диске. Зонные пластинки. Дифракция Фраунгофера на одной щели. Дифракция Фраунгофера на двух щелях. Дифракционная решетка. Разрешающая способность оптических приборов. Разрешающая способность дифракционной решетки. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэггов. • Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Угол Брюстера. Двойное лучепреломление.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Самостоятельная работа
    Самостоятельная работа проводится по теме Элементы статистической физики и содержит одну задачу. Самостоятельная работа проводится в часы семинарских занятий в начале 3-его модуля в течение 20 мин. Если семинары проходят в онлайн формате, то студент получает задание и прикрепляет решение в LMS.
  • неблокирующий Коллоквиум
    Коллоквиум проводится по Теме 1 (Механика. Механические колебания и волны). Коллоквиум проводится в письменном виде в часы семинарских занятий на 1-ом занятии 3-его модуля. Билет коллоквиума содержит один теоретический вопрос (по материалу лекций). Вопросы к коллоквиуму размещены в LMS в разделе Материалы. Коллоквиум и Контрольная 1 проводятся на одном семинарском занятии, но оценивание этих форм контроля проводится отдельно. Если семинарские занятия на период проведения Коллоквиума+Контрольной 1 проводятся в онлайн формате, то одновременно все студенты потока получают свои варианты работы и прикрепляют решения в LMS. Время проведения Коллоквиума+Контрольной 1 составляет 1ч20 мин (в очном или онлайн формате).
  • неблокирующий Экзамен
    Экзамен проводится в устной форме. Студент получает билет и письменно готовится к ответу в течение 40 мин. Билет содержит 2 теоретических вопроса и одну задачу. Далее проводится устная беседа с преподавателем по вопросам билета (с уточняющими и дополнительными вопросами). На экзамене студент не имеет права использовать какие-либо гаджеты и справочные материалы. Если экзамен проводится в онлайн формате (в условиях пандемии), то за 10 мин до начала экзамена студент должен войти в LMS, получить билет, письменный ответ прикрепить в LMS. Устный ответ на вопросы билета осуществляется на платформе Zoom после приглашения студента из зала ожидания. Для устной беседы в онлайн формате должен иметь компьютер, видеокамеру, микрофон. Если связь на любом этапе сдачи экзамена прерывается более чем на 5 мин, то студент направляется на переэкзаменовку.
  • неблокирующий Семинары
  • неблокирующий Контрольные работы
    Контрольные работы проходят в письменном виде в часы семинарских занятий. Контрольная работа 1 по механике (и коллоквиум) проводится на 1-ом семинарском занятии третьего модуля .Контрольная работа 1 содержит 4 задачи. Контрольная работа 2 по электростатике и постоянному току проводится в конце третьего модуля. Контрольная работа 2 содержит 4 задачи. Если семинарские занятия на период проведения контрольной работы проводятся в онлайн формате, то одновременно все студенты потока получают свои варианты работы и прикрепляют решения в LMS. Время проведения каждой работы -Контрольная 1+коллоквиум и Контрольная 2 - составляет 1ч20 мин (в очном или онлайн формате).
  • неблокирующий Тесты
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (4 модуль)
    0.06 * Коллоквиум + 0.18 * Контрольные работы + 0.06 * Самостоятельная работа + 0.12 * Семинары + 0.18 * Тесты + 0.4 * Экзамен
Список литературы

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
  • Курс общей физики. Кн.4: Волны. Оптика, Савельев, И. В., 2001
  • Сборник задач по курсу физики для втузов : учеб. пособие, Трофимова, Т. И., 2003

Рекомендуемая дополнительная литература

  • 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
  • Общий курс физики. Т.4: Оптика, Сивухин, Д. В., 2013