Робоча програма дисципліни

Програма навчальної дисципліни

 

Зауваження: питання, позначені в програмі зірочкою (*) віднесені для самостійного опрацювання

 

Модуль 1. Фізичні основи механіки, електрика та магнетизм

 

Змістовий модуль 1. Фізичні основи механіки

Тема 1.1. Вступ.

Предмет фізики. *Методи фізичних досліджень. Зв’язок фізики з іншими науками. Взаємозв’язок фізики та техніки. Структура та мета викладання курсу фізики. Фізичні величини та їх вимірювання. Міжнародна система одиниць.

Тема 1.2. Вступ до механіки. Елементи кінематики.

Предмет механіки. Класична, релятивістська та квантова механіки. Фізичні моделі механіки. Простір та час. Системи відліку. Переміщення, шлях. Швидкість та прискорення. Нормальне та тангенціальне прискорення. Рівняння руху матеріальної точки. Поступальний та обертальний рухи. Рух по колу. Кутова швидкість та кутове прискорення, їх зв’язок із лінійними величинами. Рівняння руху точки по колу.

Тема 1.3. Основи динаміки. Динаміка точки і системи матеріальних точок.

Поступальний та обертальний рухи. Рух по колу. Кутова швидкість та кутове прискорення, їх зв’язок із лінійними величинами. Рівняння руху точки по колу. Закони Ньютона. Сила. Маса. Інерціальні системи відліку. Сили інерції. Рух у неінерціальних системах відліку. Закон динаміки системи матеріальних точок. Центр мас. Імпульс. Закон збереження імпульсу. *Рух тіл змінної маси.

Тема 1.4. Динаміка обертального руху.

Ступені свободи руху абсолютно твердого тіла. Момент сили. Момент інерції. Закон динаміки обертального руху. Умови рівноваги твердого тіла. Центр ваги. Види рівноваги. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу. Уявлення про гіроскопи.

Демонстрації: Лавка Жуковського, моменти інерції різних тіл.

Тема 1.5. Закони збереження енергії

Енергія, робота та потужність. Кінетична енергія поступального та обертального рухів. Потенціальна енергія. Енергія пружно деформованого тіла. Потенціальна енергія матеріальної точки у гравітаційному полі. Закон збереження енергії у механіці. *Пружний та непружний удари тіл та частинок. Гравітаційне поле та його характеристики. Зв’язок напруженості поля з його потенціалом. Потенціальні сили та консервативні системи.

Тема 1.6. Елементи механіки суцільних середовищ.

Механічні властивості твердих тіл, рідин та газів. Види деформацій, пружність та повзучість. Закон Гука. Ламінарна та турбулентна течії. *Циркуляція. Сили в’язкого тертя. Рівняння нерозривності та Бернуллі для стаціонарної течії ідеальної рідини. Течія рідин та газів по трубах. Рух твердих тіл у рідинах та газах. *Уявлення про теорію подібності.

Тема 1.7.* Елементи спеціальної теорії відносності.

Принцип відносності  класичній механіці. Перетворення координат Галілея та їх інваріанти. Передумови спеціальної теорії відносності. Постулати Ейнштейна. Перетворення координат Лоренца. Релятивістський закон додавання швидкостей. Відносність довжин та проміжків часу. Інтервал між подіями. Основний закон релятивістської динаміки. Релятивістський імпульс. Взаємозв’язок маси та енергії. Границі застосовності класичної механіки.

 

Змістовий модуль 2. Електрика та магнетизм

 

Тема 2.1. Електростатичне поле у вакуумі та в речовині.

Електричний заряд. Закон Кулона. Вектор напруженості електростатичного поля, принцип суперпозиції. Потік вектора напруженості електростатичного поля. Теорема Гауса. *Електричне поле заряджених нескінченних нитки та площини.

Потенціал електростатичного поля. Різниця потенціалів. Циркуляція напруженості електростатичного поля. Зв’язок напруженості з потенціалом.

Тема 2.2. Поляризація діелектриків. Провідники в електростатичному полі.

Поведінка диполя в однорідному та неоднорідному електричному полі. Полярні та неполярні діелектрики. Поляризація діелектриків, характеристики їх поляризованого стану. Вектор електричного зміщення. Сегнетоелектрики. П’єзоелектричний ефект.

Електроємність провідника, конденсатора. З’єднання конденсаторів. Енергія зарядженого конденсатора. Густина енергії електростатичного поля.

Тема 2.3. Постійний електричний струм.

Постійний електричний струм, умови його існування. Сила та густина струму. ЕРС джерела струму. Закон Ома для ділянки кола в інтегральній та диференціальній формах. Опір провідників. Закон Ома для повного кола. Розгалужені кола. Правила Кірхгофа.

Тема 2.4. Закон Джоуля-Ленца. Електричний струм у металах, рідинах і газах

Робота та потужність постійного електричного струму. Закон Джоуля-Ленца. Електропровідність металів та розчинів електролітів. Застосування електролізу. Самостійний газовий розряд, уявлення про плазму. Контактні електричні явища та термоелектронна емісія. Електровакуумні прилади.

Тема 2.5. Магнітне поле.

Магнітне поле. Вектор магнітної індукції. Закон Ампера. Контур зі струмом в магнітному полі. Магнітний момент. Принцип роботи електродвигунів.

Сила Лоренца. Прискорювачі заряджених частинок. Магнітні пастки.

Тема 2.6. Закон Біо-Савара-Лапласа.

Закон Біо-Савара-Лапласа. Магнітне поле прямого та колового провідників зі струмом. Взаємодія струмів. Закон повного струму, магнітне поле соленоїда. Вихровий характер магнітного поля.

Тема 2.7. Електромагнітні явища.

Потік вектора магнітної індукції. Явище електромагнітної індукції, закон Фарадея, правило Ленца. Генератори електричного струму. Явище самоіндукції, індуктивність. *Перехідні процеси у колі з індуктивністю. Взаємна індуктивність, трансформатори.

Тема 2.8. Енергія магнітного поля. Рівняння Максвела.

Робота при переміщенні провідника зі струмом в магнітному полі. Енергія провідника зі струмом. Об’ємна густина енергії магнітного поля.

Рівняння Максвела в інтегральній та диференціальній формах. Диференціальне рівняння електромагнітної хвилі.

 

Модуль 2. Молекулярна фізика. Коливальні та хвильові процеси. Оптика. Квантова та ядерна фізика

 

Змістовий модуль 3. Молекулярна фізика та термодинаміка. Коливальні процеси.

 

Тема 3.1. Молекулярно-кінетична теорія речовини.

Атомно-молекулярна будова речовини. Статистичний та термодинамічний методи дослідження. Макроскопічні стани та параметри. Рівняння стану. Рівняння стану ідеального газу. Кінетична енергія молекул, її розподіл по ступенях свободи. Абсолютна температура.

Тема 3.2. Елементи статистичної фізики.

Розподіл молекул ідеального газу за їхніми швидкостями. Барометрична формула, розподіл Больцмана. *Зіткнення молекул, середня довжина вільного пробігу молекул. *Поведінка газів за умов низького тиску. *Вакуумна техніка. Способи теплопередачі - теплопровідність, конвекція, випромінювання. Уявлення про фізичну кінетику.

Тема 3.3. Основи термодинаміки.

Теплота та робота. Внутрішня енергія системи як функція стану. Перше начало термодинаміки. Термодинамічні діаграми. Ізопроцеси в газах. Адіабатичний процес. Теплоємність газів.

Тема 3.4. Друге начало термодинаміки.

Оборотні та необоротні процеси. Термодинамічні цикли, робочі цикли теплових та холодильних машин. Цикл Карно. Ентропія. Друге начало термодинаміки та його статистичне розуміння. Теорема Нернста.

Тема 3.5. Реальні гази.

Сили та потенціальна енергія міжмолекулярної взаємодії. Агрегатні стани речовини. Реальні гази. Рівняння Ван дер Ваальса. Метастабільні стани. Критична температура. *Зрідження газів. Насичена та ненасичена пара. *Вологість повітря.

Тема 3.6. Тверді тіла. Рідини.

Властивості кристалів. Кристалічні решітки. Дефекти кристалічних решіток. *Рідкі кристали. *Композиційні матеріали. *Уявлення про старіння та довговічність матеріалів.

Уявлення про близький порядок розташування молекул у рідинах та аморфних речовинах. Поверхневий натяг, капілярні явища. *Уявлення про адсорбцію та поверхнево активні речовини. *Будова полімерів, їх властивості.

Фазові діаграми, рівняння Клапейрона - Клаузіуса. Потрійна точка. Фазові переходи другого роду. *Сплави та розчини. *Розчинність газів. *Закони Рауля та Генрі. *Осмотичний тиск.

Тема 3.7. Механічні та електромагнітні коливальні процеси.

Гармонічні коливання та їх характеристики. Подання гармонічних коливань в комплексній формі. Перетворення енергії при гармонічних коливаннях. Пружинний маятник. Математичний та фізичний маятники. Диференціальні рівняння коливальних процесів. Додавання коливань. *Биття. *Фігури Ліссажу.

Електричний коливальний контур. Диференціальні рівняння коливальних процесів в електричному коливальному контурі. Перетворення енергії при гармонічних коливаннях. *Резонанс у колах змінного струму.

Тема 3.8. Диференціальне рівняння коливальних процесів.

Диференціальне рівняння вільних затухаючих коливань та його розв’язок. Характеристики затухання. *Аперіодичні процеси. Вимушені коливання.  Диференціальне рівняння вимушених коливань. Амплітуда та фаза вимушених коливань. Резонанс механічних систем. *Резонанс у колах змінного струму. *Нелінійність та ангамонізм реальних фізичних систем. Автоколивання. Релаксаційні та параметричні коливання. *Подання несинусоїдних коливань у вигляді рядів Фур’є.

 

Змістовий модуль 4. Хвильові процеси. Оптика. Квантова та ядерна фізика.

 

Тема 4.1. Хвильові процеси.

Загальні закономірності хвильових процесів. Поздовжні та поперечні хвилі. Рівняння синусоїдної хвилі. Диференціальне хвильове рівняння. Швидкість механічних хвиль в газах, рідинах та твердих тілах. Інтерференція механічних хвиль. Стоячі хвилі. Потік енергії хвилі. Звукові хвилі, їх основні характеристики. Ультразвук. Область чутності. Акустика приміщень та споруд.

Тема 4.2. Електромагнітні хвилі. Геометрична оптика.

Диференціальне рівняння електромагнітної хвилі. Вектор Пойнтинга. *Шкала електромагнітних хвиль. *Передача інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

Світлові хвилі. Геометрична оптика, її основні закони. *Оптичні деталі та прилади. *Елементи фотометрії. *Характеристики джерел світла. Поглинання світла.

Тема 4.3. Хвильова оптика.

Часова та просторова когерентність. Інтерференція на пластині та клині. *Інтерферометри. Застосування інтерференції.. Принцип Гюйгенса - Френеля. Метод зон Френеля. Дифракція Фраунгофера на щілині та дифракційній решітці. *Уявлення про голографію. Дифракція на кристалічній решітці. Роздільна здатність оптичних приладів. Поляризація при відбиванні та заломленні світла. Закон Брюстера. Подвійне променезаломлення в кристалах. Поляризаційні пристрої. Закон Малюса. *Штучна анізотропія. *Ефект Керра. Застосування поляризованого світла в техніці.

Тема 4.4. Квантова оптика.

Теплове випромінювання та люмінесценція. Випромінювання абсолютно чорного тіла. Закон Кірхгофа. Закони Стефана - Больцмана та Віна. Утруднення класичної теорії теплового випромінювання. Квантова гіпотеза та формула Планка для спектра абсолютно чорного тіла. Оптична пірометрія.

Зовнішній фотоефект. Використання фотоефекту в техніці. Фотони, їхня маса та імпульс. Корпускулярно-хвильовий дуалізм електромагнітного випромінювання.

Тема 4.5. Хвильові властивості матерії.

Хвильові властивості матерії. Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини. Співвідношення невизначеностей та хвильові властивості мікрочастинок. Границі застосовності класичної механіки. Рівняння Шредінгера. Хвильова функція, її фізичний зміст. *Приклади розрахунку поведінки електрона в найпростіших полях. Квантування енергії електрона.

Тема 4.6. Основи теорії твердого тіла.

Елементи зонної теорії твердих тіл. Статистики Фермі - Дірака та Бозе - Ейнштейна. Рівень Фермі. Заповнення енергетичних зон. Метали, діелектрики та напівпровідники з точки зору зонної теорії. Електропровідність напівпровідників. Донорні та акцепторні напівпровідники. Прилади електроніки. Контакти напівпровідників різних типів та напівпровідників з металами. Напівпровідникові прилади. Діод.

Тема 4.7. Будова атома.

Теорія Бора. Рівняння Шредінгера для атома водню. Квантування енергії, механічного та магнітного моментів орбітального руху електрона. Спін електрона. Спектр атома водню та воднеподібних атомів. Багатоелектронні атоми. Принцип Паулі. Розподіл електронів в атомах за енергетичними станами. Періодична система елементів.

*Квантова електроніка та спектроскопія. *Оптичні та глибинні електрони. Рентгенівські спектри атомів. *Фізична природа хімічного зв’язку. *Енергетичні рівні та спектри молекул. *Взаємодія світла з квантовими системами: поглинання, спонтанне та вимушене резонансне випромінювання. *Принцип дії лазерів, їхні типи та практичне використання.

Тема 4.8. Основи ядерної фізики.

Склад, будова та характеристики атомних ядер. Основні властивості ядерних сил. Моделі ядер. Ядерні реакції, їхній механізм та класифікація. Закони збереження в ядерних реакціях. *Одержання та використання радіоактивних ізотопів. Закон радіоактивного розпаду. Активність нукліду. Закономірності альфа- та бета-розпадів. Нейтрино.

Закон поглинання. Радіаційна стійкість матеріалів. Доза та потужність дози опромінення, біологічна дія іонізуючих випромінювань. Методи реєстрації радіоактивного випромінювання.

Дефект маси та енергія зв’язку атомних ядер. Два шляхи одержання внутрішньоядерної енергії. Ланцюгова реакція поділу ядер. Ядерні реактори. Реакції синтезу атомних ядер. *Проблеми керованого термоядерного синтезу. Переваги та недоліки ядерної енергетики. *Енергія зірок.