Physics

2019/2020

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

8

ECTS credits

Delivered at:

School of Electronic Engineering

Course type:

Compulsory course

When:

1 year, 1-4 module

Instructors

Ikhsanov, Renat

Kagan, Maxim

Popova, Elena

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

• 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: основные законы классической и современной физики; методы физического исследования; границы применимости различных физических понятий, законов, теорий.
• Умеет: применять физические законы для решения практических задач; оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или математических методов исследования; определять возможности применения теоретических положений дифференциальных уравнений для постановки и решения конкретных физических задач; ориентироваться в потоке научной информации.
• Владеет: навыками практического применения законов физики; стандартными методами и моделями и их применением к решению конкретных физических задач.

Содержание учебной дисциплины

• Тема 1: Кинематика.
  - Система отсчета. Виды движения. Радиус-вектор, траектория, длина пути. Средняя скорость, мгновенная скорость. Среднее ускорение, мгновенное ускорение. Соотношения между кинематическими величинами поступательного движения. Тангенциальное и нормальное ускорение. - Кинематика вращательного движения абсолютно твердого тела. Вектор углового перемещения, угловой скорости, ускорения. Связь между линейными и угловыми величинами. Плоское движение твёрдого тела. Мгновенная ось вращения.
• Тема 2: Динамика материальной точки.
  - Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Сила. Масса. Импульс. Второй закон Ньютона. Принцип независимости сил. Третий закон Ньютона. - Движение в неинерциальных системах отсчета. - Закон сохранения импульса. Движение центра масс. - Момент импульса. Момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса. - Движение тела переменной массы. Формула Циолковского. - Работа, мощность. Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Выражения для потенциальной энергии при гравитационном и упругом взаимодействиях. Связь силы и потенциальной энергии. Консервативные и неконсервативные силы. Закон сохранения механической энергии. - Центральные силы. Работа в поле центральных сил.
• Тема 3: Динамика вращательного движения твердого тела.
  - Момент инерции твердого тела. Теорема Гюйгенса-Штейнера. - Основное уравнение динамики вращательного движения твёрдого тела. Динамика плоского движения твёрдого тела. Уравнение моментов в системе центра масс. - Работа при вращательном движении твердого тела. Кинетическая энергия движения твердого тела.
• Тема 4: Механические колебания.
  - Колебательные процессы. Свободные колебания систем с одной степенью свободы. Гармонические колебания и их характеристики: амплитуда колебаний, фаза колебаний, начальная фаза колебаний, циклическая частота, период, частота колебаний. Комплексная форма представлений колебаний. Метод вращающегося вектора. Дифференциальное уравнение свободных колебаний и его решение. - Сложение двух гармонических колебаний одинаковой частоты и одного направления. Сложение колебаний одного направления с близкими частотами (биения). Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу. - Механические гармонические колебания. Пружинный маятник. Физический маятник. Математический маятник. Приведенная длина физического маятника. - Гармонические колебания в химии. Свободные колебания связанных осцилляторов. Колебания молекул. Нормальные координаты и нормальные моды. Типы молекулярных колебаний (валентные и деформационные). - 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. Лоренцева форма линии поглощения. Ширина кривой поглощения.
• Тема 5: Элементы релятивистской механики.
  - Преобразования Галилея. Эксперимент Майкельсона-Морли. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца и их следствия: относительность длительности и размеров. Релятивистский закон сложения скоростей. - Релятивистский импульс. Интервал. Энергия в релятивистской механике. - Основной закон релятивистской динамики. Энергия в релятивистской динамике. Связь кинетической энергии и импульса.
• Тема 6. Основы статистической физики.
  - Элементы теории вероятностей. Статистическое распределение. Дискретные и непрерывные случайные величины, плотность вероятности. Условие нормировки для функции распределения. Свойства функции распределения. Средние величины, дисперсия и флуктуации. Распределение Гаусса и Пуассона. - Статистическое описание макроскопических систем. Статистические ансамбли. Усреднение по времени и по ансамблю в классической статистической физике. Распределение Гиббса. - Распределение Максвелла по компонентам скоростей и по энергиям. Средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекулы газа. - Распределение Больцмана. Барометрическая формула. - Основы квантовой статистики. Тождественность частиц. Распределение Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Энергия Ферми и импульс Ферми для электронов в металле. Бозе-эйнштейновская конденсация в квантовых газах. Теорема Нернста.
• Тема 7. Идеальные и реальные газы.
  - Идеального газ (одно- и многоатомный) и его уравнение состояния. Внутренняя энергия идеального газа. Вращательные и колебательные степени свободы. Распределение энергии по степеням свободы. Теплоемкость идеального газа. - Реальный газ: учет собственного объема молекул и учет сил притяжения. Газ Ван-дер-Ваальса. Критические параметры и приведённое уравнение состояния. Адиабата газа Ван-дер-Ваальса.
• Тема 8. Теория фазовых переходов.
  - Условие равновесия фаз. Химический потенциал и максвелловская конструкция. Термодинамическое равновесие между ионизацией и диссоциацией молекул, формула Саха. - Тройная точка и критическая точка. Стабильные и метастабильные состояния. Фазовые переходы первого и второго рода. Формула Клаузиуса – Клайперона для фазовых переходов первого рода. Скачок теплоёмкости для фазовых переходов второго рода.
• Тема 9. Элементы гидро- и газодинамики.
  Линии тока, стационарное ламинарное течение жидкости и газа. Уравнение Бернулли для сжимаемой и несжимаемой жидкости. Изоэнтропическое течение идеального газа, истечение газа из отверстия. Эффект Джоуля–Томсона.
• Тема 10. Поверхностное натяжение.
  Поверхностные явления. Краевые углы, смачивание и несмачивание. Формула Лапласа.
• Тема 11. Элементы физической кинетики.
  - Столкновения молекул. Длина свободного пробега. - Явления переноса: диффузия, теплопроводность, вязкость. Законы Фика, Фурье и Ньютона. Коэффициенты переноса в газах. Уравнения диффузии и теплопроводности.
• Тема 12. Электростатика.
  - Точечный заряд. Закон Кулона. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Силовые линии. Принцип суперпозиции полей. - Поток вектора. Дивергенция вектора. Теорема Гаусса для электростатического поля (дифференциальная и интегральная формулировки). Расчет полей симметричных систем с помощью теоремы Гаусса. - Потенциал электростатического поля. Связь напряженности и потенциала. - Проводники в электростатическом поле. Метод «изображений». - Электрическое поле в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Свободные и связанные заряды. Вектор поляризации. Диэлектрическая проницаемость. Вектор электрической индукции. Теорема Гаусса при наличии диэлектриков. Граничные условия на границе двух диэлектриков. - Электрическая ёмкость. Конденсаторы. Энергия электрического поля и объёмная плотность этой энергии. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. - Электрический диполь. Дипольный момент. Поле диполя. Энергия диполя в электрическом поле.
• Тема 13. Постоянный электрический ток.
  - Электрический ток. Сила и плотность тока. Электродвижущая сила. Напряжение. Закон Ома для однородного участка цепи в интегральной и дифференциальной формах. Законы Кирхгофа. - Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца. - Классификация твердых тел с точки зрения электропроводности: металлы, диэлектрики, полупроводники. Статистика электронов в металлах. Собственные и примесные полупроводники.
• Тема 14. Постоянное магнитное поле. Магнетики.
  - Магнитное поле постоянного тока. Вектор магнитной индукции. Сила Лоренца. Сила Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле равномерно движущегося точечного заряда. Виток с током в магнитном поле. Магнитный момент тока. - Теорема о циркуляции магнитного поля в вакууме (в интегральной и дифференциальной формах) и её применение к расчету магнитных полей. - Магнитное поле в веществе. Макро- и микротоки. Намагниченность. Магнитная восприимчивость. Вектор магнитной индукции. - Теорема о циркуляции магнитного поля в веществе. Граничные условия на границе двух магнетиков. - Диамагнетики. Парамагнетики. Ферромагнетики. Магнитный гистерезис.
• Тема 15. Электромагнитная индукция.
  - Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Индуктивность контура. Явление самоиндукции. Переходные процессы в электрической цепи. - Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Граничные условия. Ток смещения. Материальные уравнения.
• Тема 16. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитных полях.
  - Движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле. - Движение заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях. - Эффект Холла.
• Тема 17. Электромагнитные колебания и волны. Переменный электрический ток.
  - Цепи переменного тока. Законы Кирхгофа для переменных (гармонических) токов. - 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. - Источники и приемники электромагнитных волн.
• Тема 18. Основы геометрической оптики.
  - Основные определения и законы геометрической оптики. Законы преломления и отражения. Полное внутренне отражение. Корпускулярная и волновая теории света. Принцип Ферма. - Основные оптические элементы: линза, призма и зеркало. Построение изображений. Микроскоп и телескоп.
• Тема 19. Основы фотометрии.
  - Источники излучения оптического диапазона. Точечные и протяженные источники. - Фотометрические величины и единицы: термины, физический смысл, определения. Законы фотометрии. Основы фотометрических расчетов.
• Тема 20. Поляризация света.
  - Естественный и поляризованный свет. Поляроиды, закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Угол Брюстера. - Двойное лучепреломление. Оптическая ось кристалла. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Поляризация при двойном лучепреломлении. Прохождение плоскополяризованного света через плоскопараллельную пластинку. - Поляризация рассеянного света.
• Тема 21. Интерференция 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. Просветление оптики. Кольца Ньютона. - Степень когерентности. Роль немонохроматичности источников и их конечных размеров. Время и длина когерентности. Радиус когерентности.
• Тема 22. Дифракция света.
  - Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. - Классификация дифракционных явлений (дифракция Френеля или Фраунгофера, приближение геометрической оптики). - Метод зон Френеля. Дифракция на круглом отверстии и диске. Зонные пластинки. Роль дифракции в формировании оптических изображений. Разрешающая способность оптических приборов. - Дифракция Фраунгофера на одной щели. Дифракция Фраунгофера на двух щелях. Дифракционная решетка.

Элементы контроля

• Проверочные (самостоятельные) работы
  Одна проверочная работа в каждом модуле. Оценка за проверочные работы в 3 и 4 модуле засчитывается за контрольные работы МООС курса "Электричество и магнетизм" (НПОО).
• Коллоквиум (1-2)
  Коллоквиум проводится не менее, чем за 10 дней до сессии. Коллоквиумы проводятся в конце каждого модуля (кроме четвертого и шестого). Форма коллоквиума идентична экзамену. Вопросы на коллоквиум выносится из текущего модуля. Промежуточная оценка за n-й модуль расcчитывается по формуле Пn=0.6*Клn + 0.4*Сn=0.6*Клn + 0.2*Мn + 0.2*ПРn, если в модуле предусмотрен коллоквиум.
• Экзамен 4
  Экзамен проводится в письменной форме, в дистанционном формате, без прокторинга и видео-записи. В лмс за 10 минут до начала экзамена будут выложены билеты и список студентов с номерами билетов. За 10 минут до начала экзамена студентам необходимо зайти в лмс -материалы дисциплины «Физика» - Экзамен 17 июня; открыть "Список студентов с номерами билетов" и найти свое ФИО и номер билета, который закреплен за вами; скачать файл "Экзамен -билеты" и найти закрепленный за вами номер билета. Задание выполнить письменно, продолжительность 90 минут, начало в 10.00, окончание в 11.30. До 11.40, т.е. в течение 10 минут после завершения экзамена направить в виде картинок или в формате *.doc и *.pdf на k9ascrszooic@mail.ru. Устная защита работ не предусмотрена. Использование телефона при фотографировании и отправке ответа не будет в этом случае являться нарушением. Технические характеристики компьютера не отличаются от того, что требовалось для выполнения домашних заданий весь 4 модуль: стационарный компьютер /ноутбук /мобильные устройства; операционная система Windows (версии 7 и выше) или Mac OS X Yosemite 10.10 и выше; оперативная память: 3 Гб и более; процессор: Intel Core 2 DUO и более поздней версии с поддержкой SSE2, или AMD Athlon x2 и выше; 2 ядра и выше; 1,8 ГГц и выше; любой интернет-браузер; свободное место на жестком диске 500 Мб; наличие постоянного интернет-соединения со скоростью передачи данных от пользователя не ниже 5 Мбит/сек.; разрешена передача данных по сетевым портам: 80 TCP, 443 TCP, 3478 TCP/UDP. Во время экзамена студент может иметь при себе ручку, карандаш, ластик, линейку, листы бумаги, воду. Во время экзамена студент обязан сосредоточиться на выполнении заданий (экран компьютера или листы с выполнением заданий). Во время экзамена студент не имеет права: привлекать помощь, предоставлять доступ к компьютеру и вступать в разговоры с третьими лицами; пользоваться справочными материалами, любыми гаджетами, компьютерной техникой, кроме той, что непосредственно используется для экзамена. Поскольку использование интернета вовремя экзамена происходит дискретно: в первый раз при входе в лмс в материалы дисциплины для скачивания файлов и второй раз при отправки файлов на выше указанный электронный адрес, на что отведено по 10 минут, то при кратковременном нарушении связи до 10 минут (например, отключение интернета или электричества по независящим от студента обстоятельствам; технический сбой при отправке сообщения и т.д.) необходимо перезагрузить страницу в лмс, повторить скачивание файла; повторить отправку файла с ответом на выше указанный электронный адрес. При долговременном нарушении связи (более 10 мин) сообщить незамедлительно об этом в учебный офис с помощью любых каналов связи. Не позднее, чем через 3 дня, необходимо предоставить максимальное количество подтверждающих документов (ответ от провайдера, скриншот проблемы, объяснительная студента и т.д.) Процедура первой пересдачи полностью соответствует процедуре сдачи экзамена. Проводится в осенний период пересдач. Допускается дистанционная организация в случае продления дистанционного режима обучения. Предусмотрен дополнительный резервный день в июне для переписывания в случае, когда во время экзамена было долговременное нарушение связи при наличии уважительных причин, подтвержденных документально.
• Работа на семинаре
  Оценка за работу на семинарах Сn складывается из двух составляющих: 1) за работу студента с места и у доски (в т.ч. в дистанционном формате) Мn и 2) за выполнение письменных работ ПРn. При ответе с места (у доски) за решенную задачу или ответ на качественный вопрос ставится определенный балл, соответствующий уровню сложности задачи или вопроса. В конце модуля оценка Сn рассчитывается по формуле Сn=0.5*Мn + 0.5*ПРn.
• Коллоквиум 3
  Коллоквиум за 3 модуль проводится в режиме онлайн

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (4 модуль)
  0.3 * Коллоквиум (1-2) + 0.1 * Коллоквиум 3 + 0.25 * Проверочные (самостоятельные) работы + 0.25 * Работа на семинаре + 0.1 * Экзамен 4

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Задачи по общей физике : учебное пособие для вузов, Иродов, И. Е., 2014
• 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
• 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
• Сивухин Д.В. - Общий курс физики. Том 4. Оптика - Издательство "Физматлит" - 2002 - 792с. - ISBN: 5-9221-0228-1 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2314

Рекомендуемая дополнительная литература

• Ландсберг Г.С. - Элементарный учебник физики. Т.2 Электричество и магнетизм - Издательство "Физматлит" - 2011 - 400с. - ISBN: 978-5-9221-1255-0 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2240
• Ландсберг Г.С. - Элементарный учебник физики.Т. 3.Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика: учебник - Издательство "Физматлит" - 2009 - 656с. - ISBN: 978-5-9221-0351-0 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2239
• Ландсберг Г.С. - Элементарный учебник физики.Т1. Механика. Теплота. Молекулярная физика - Издательство "Физматлит" - 2010 - 612с. - ISBN: 978-5-9221-1256-7 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2241