ЗМІСТ програми "ФІЗИКА"

ЗМІСТ ПРОГРАМИ «ФІЗИКА»

 

Модуль 1 Механіка

Тема 1.1. Вступ до механіки. Кінематика.

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.

Предмет механіки. Класична, релятивістська та квантова механіки. Фізичні моделі механіки: матеріальна точка, абсолютно тверде тіло (АТТ), суцільне середовище. Простір та час. Системи відліку. Переміщення, шлях. Миттєва швидкість, лінійне прискорення. Нормальне прискорення та тангенціальне прискорення. Рівняння руху матеріальної точки. Поступальний та обертальний рухиСтупені свободи руху абсолютно твердого тіла. Рух по колу. Кутова швидкість та кутове прискорення. Зв’язок лінійних та кутових характеристик при русі по колу. Рівняння руху точки по колу.

Тема 1.2. Основи динаміки.

Уявлення про масу. Поняття сили. Імпульс тіла. Закони динаміки поступального руху: перший (1зН), другий (2зН) та третій закон Ньютона (3зН). Інерціальні системи відліку (ІСВ). Динаміка тіл сталої маси. Сили інерції. Рух у неінерціальних системах відліку. Закон динаміки системи матеріальних точок. Центр мас. Закон збереження імпульсу. Рух тіл змінної маси. Рівняння Мещерського.

 Момент сили. Момент інерціїМомент імпульсу АТТ. Теорема Штейнера. Закон динаміки обертального руху (ЗДОР). Умови рівноваги твердого тіла. Центр ваги. Види рівноваги. Закон збереження момента імпульсу (ЗЗМІ). Уявлення про гіроскопи.

Тема 1.3. Енергія та робота. Гравітаційне поле

Поняття енергії. Механічна енергіяРобота в механіці та потужність.  Кінетична енергія поступального та обертального рухів. Потенціальна енергія. Потенціальна енергія пружно деформованого тіла. Гравітація. Закон всесвітнього тяжіння (ЗВТ). Гравітаційне поле та його характеристики. Зв’язок напруженості поля з його потенціалом. Потенціальна енергія гравітаційної взаємодії. Потенціальні сили та консервативні системи. Закон збереження механічної енергії (ЗЗМЕ). Пружний та непружний удари тіл та частинок.

Тема 1.4. Елементи механіки суцільних середовищ.

Механічні властивості твердих тіл. Деформація розтягу, пружність та повзучість. Закон Гука. Сили пружності.

Лінії та трубки течії. Циркуляція поля швидкостей течії. Ламінарна та турбулентна течії.  Сили в"язкого тертя. Рівняння нерозривності (РН) та рівняння Бернуллі для стаціонарної течії ідеальної рідини. Течія рідин та газів по трубах. Рух твердих тіл у рідинах та газах. Уявлення про теорію подібності.

Тема 1.5. Елементи спеціальної теорії відносності.

Принцип відносності класичної механіки. Перетворення координат Галілея та їх інваріанти. Передумови спеціальної теорії відносності. Постулати Ейнштейна: принцип відносності та принцип інваріантності. Перетворення координат Лоренца. Релятивістська формула додавання швидкостей. Скорочення довжин та сповільнення плину часу. Інтервал між подіями. Основний закон релятивістської динаміки. Релятивістський імпульс. Зростання маси рухомих тіл. Взаємозв"язок маси та енергії. Границі застосовності класичної механіки.

 

 

Модуль 2 Молекулярна фізика

Тема 2.1. Елементи статистичної фізики.  Статистичний метод дослідження молекулярних явищ. Молекулярно-кінетична теорія речовиниІдеальний газ. Рівняння стану ідеального газу в статистичній фізиці. Термодинамічний метод дослідження молекулярних явищ. Газові закони. Рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва-Клапейрона). Енергія молекул та її розподіл за ступенями свободи руху. Абсолютна температура.

Розподіл Максвелла молекул за їх швидкостями. Характеристичні швидкості молекул. Барометрична формула. Розподіл Больцмана частинок в силовому полі. Статистика Максвелла-Больцмана. Зіткнення молекул, модель зіткнень. Середня довжина вільного пробігу молекул. Технічний вакуум. Поведінка газів за умов низького тиску. Вакуумна технікаЯвища переносу. Способи теплопередачі - теплопровідність, конвекція, випромінювання. Фізична кінетика.

Тема 2.2. Основи термодинаміки. Внутрішня енергія системиТеплота та робота. Розрахунок роботи в молекулярній фізиці. Теплоємність. Кількість теплоти. Перше начало термодинаміки. Термодинамічні діаграми. Ізопроцеси в газах: ізохоричний процес, ізобаричний процес, ізотермічний процес. Формула Майєра.  Адіабатичний процес. Рівняння адіабати. Теплоємність газів та її температурна залежність.

Оборотні та необоротні процеси. Термодинамічні цикли, цикли теплових машин. Тепловий двигун. Цикл Карно та його ККД. Ефективність холодильних машин. Ентропія. Друге начало термодинаміки.  Статистичне тлумачення другого начала термодинаміки. Формула Больцмана для ентропії. Ентропія та інформація. Теорема Нернста (третє начало термодинаміки).

Тема 2.3. Реальні молекулярні системи.  Реальні гази. Рівняння Ван дер Ваальса. Ізотерма Ван дер ВаальсаМетастабільні станиСімейство ізотерм Ван дер Ваальса.  Критичний стан та критична температура. Зрідження газів. Вологість повітря та її вимірювання: гігрометр, аспіраційний психрометр.

Сили та потенціальна енергія міжмолекулярної взаємодії. Агрегатні стани речовини. Поняття фази в молекулярній фізиці. Фазові переходи першого родуФазові діаграми. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса. Потрійна точка. Фазові переходи другого роду.

Рідини та аморфні тіла. Поверхневий натяг. Коефіцієнт поверхневого натягу. Змочування. Краєвий кут змочування. Капілярні явища. Уявлення про адсорбцію та поверхнево-активні речовини. Полімери. Кристали. Типи кристалічних решіток. Дефекти кристалічних решіток. Рідкі кристали. Композиційні матеріали. Старіння та довговічність матеріалів.


 

 

 

 

Модуль 3. Електрика та магнетизм

 

Тема 3.1. Електростатика. 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.

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 3.2. Постійний електричний струм. Умови існування постійного електричного струму. 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.

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 3.3. Магнітостатика. 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.

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

Тема 3.4. Електромагнітні явища. Потік вектора магнітної індукції. Явище електромагнітної індукції, закон Фарадея, правило Ленца. Генератори електричного струму. МГД-генератори. Явище самоіндукції, індуктивність. Закон Генрі. Перехідні процеси у колі з індуктивністю. Взаємна індуктивність, трансформатори. 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 4 Коливання та хвилі, оптика 

Тема 4.1. Механічні та електромагнітні коливання. Коливальні процеси та системи. Класичні осциллятори: пружинний маятник (ПМ), математичний та фізичний маятники (ФтаММ), електричний коливальний контур (ЕКК). Диференціальні рівняння коливальних процесів. Приведене диференціальне рівняння коливань (ПДРК). Диференціальне рівняння гармонічних коливань. Рівняння гармонічних коливань та його характеристики.  Перетворення енергії при гармонічних коливанняхПодання гармонічних коливань в комплексній формі.  Додавання однонапрямлених коливань. БиттяДодавання взаємоортогональних коливаньФігури Ліссажу.   

Диференціальне рівняння вільних згасаючих коливань та його розв’язок. Характеристики згасання: декремент згасання та логарифмічний декремент згасання.  Аперіодичні процеси. Вимушені коливання. АЧХ вимушених коливань. Явище резонансу та його роль в техніці. Нелінійність та ангармонізм реальних фізичних систем. Автоколивання. Блок-схема автоколивальної системи. Приклади релаксаційних та параметричних коливань. Подання несинусоїдальних коливань у вигляді рядів Фур’є (Фур’є-аналіз).

Тема 4.2. Механічні та електромагнітні хвилі. Загальні закономірності хвильових процесів. Поздовжні та поперечні хвилі. Рівняння плоскої монохроматичної синусоїдальної хвилі. Швидкість механічних хвиль в газах, рідинах та твердих тілах. Потік енергії хвилі (вектор Умова). Звукові хвилі, їх основні характеристики (гучність, тон, тембр, поріг чутливості, поріг больових відчуттів). Область чутності (діаграма чутності). Закон Вебера-Фехнера. Ультразвук та інфразвук.  Явище реверберації. Акустика приміщень та споруд.

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

Тема 4.3. Геометрична оптика. Світлові хвилі. Геометрична оптика. Закони геометричної оптики. Явище повного внутрішнього відбивання. Волоконна оптика. Оптичні деталі (плоске дзеркало, сферичне дзеркало, плоскопаралельна пластина, призма, тонка лінза). Характеристичні точки, лінії та площини тонкої лінзи: центри кривизни сферичних поверхонь, головна оптична вісь (ГОВ), площина лінзи, фокуси, фокальна площина, оптичний центр). Формула тонкої лінзиПобудова зображень в тонких лінзах. Найпростіші оптичні прилади: лупа, проекційний апарат.

Тема 4.4. Хвильова оптикаІнтерференція та дифракція світла. Когерентність. Почасова когерентність. Просторова когерентність. Інтерференція на пластині та клині. Інтерферометри. Застосування інтерференції Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракція Френеля. Метод зон ФренеляДифракція Фраунгофера на щілині та дифракційній решітці. Формула дифракційної решітки Дифракція на кристалічній решітці (формула Вульфа-Бреггів). Роздільна здатність оптичних приладів. Уявлення про голографію. 

Поляризація світла. Плоскополяризоване світло. Поляризація при відбиванні та заломленні світла. Закон Брюстера. Подвійне променезаломлення в кристалах. Поляризаційні пристрої (стопа Столєтова, призма Ніколя, поляроїдні плівки). Закон МалюсаШтучна анізотропія. Ефект Керра. Застосування поляризованого світла в техніці.

 

Модуль 5. Ч. 1. Основи квантової фізики. 

Тема 5.1. Квантова оптика. Теплове випромінювання та люмінесценція. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла (АЧТ). Випромінюваність, спектральна поглинальна та спектральна випромінювальна здатність. Закони теплового випромінювання: з-н Кірхгофа, з-н Стефана-Больцмана та з-н зміщення Віна. Утруднення класичної теорії теплового випромінювання. Квантова гіпотеза Планка та формула Планка для спектра АЧТ. Оптична пірометрія.

Зовнішній фотоефект. Закони Столєтова. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Використання фотоефекту в техніці. Маса та імпульс фотона. Світловий тиск. Ефект Комптона та його пояснення. Корпускулярно-хвильовий дуалізм електромагнітного випромінювання (КХД).

Тема 5.2. Теорія атома. КХД матерії: гіпотеза та формула де Бройля. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга та хвильові властивості мікрочастинок. Границі застосовності класичної механіки. Рівняння Шредінгера. Хвильова функція та її фізичний зміст. Приклади розрахунку поведінки електрона в найпростіших полях. Теорія Бора. Застосування рівняння Шредінгера до атома водню. Квантові числа та їх фізичний зміст: головне квантове число, орбітальне квантове число, магнітне квантове число, спінове квантове число. Спектр атома водню та воднеподібних атомів. Принцип ПауліМагічні числа. Принципи побудови таблиці елементів Менделєєва.

Оптичні та глибинні електрони. Рентгенівські спектри атомів. Формула Мозлі для характеристичного рентгенівського спектру. Фізична природа хімічного зв"язку. Енергетичні рівні та спектри молекул. Взаємодія світла з квантовими системами: резонансне поглинання, спонтанне та вимушене резонансне випромінювання. Принцип дії лазерів, їхні типи та практичне використання.

Тема 5.3. Основи електроніки. Елементи зонної теорії твердих тіл. Статистика Фермі-Дірака та Бозе-Ейнштейна. Рівень Фермі. Температура виродження. Заповнення енергетичних зон. Провідники, діелектрики та напівпровідники з точки зору зонної теорії. Електропровідність напівпровідників. Донорна провідність, акцепторна провідність. Контакти напівпровідників різних типів та напівпровідників з металами. Напівпровідникові прилади. Діод. Уні- та біполярні транзистори. Основи мікро- та наноелектроніки.

 Надпровідність та її пояснення. Теорія БКШ. Куперівські пари. Ефект Мейснера. Ефекти Джозефсона.

 

Ч. 2.  Основи фізики ядра та ядерна безпека.

 

Тема 6.1. Ядро та ядерні процеси. Склад ядра. Символічне зображення ядер. Розмір ядер. Ізотопи. Ядерні сили. Моделі ядер. Ядерні реакції, їх механізми та класифікація. Закони збереження в ядерних реакціях. Одержання та використання радіоактивних ізотопів. Радіоактивний розпад. Закон радіоактивного розпаду. Активність нукліду. Закономірності альфа- та бета-розпадів. Нейтрино. Частинки та античастинки. Сучасна фізична картина світу.

Тема 6.2. Ядерна енергетика та безпека. Дефект маси ядер та енергія зв"язку ядер. Два шляхи одержання внутрішньоядерної енергії. Ланцюгова реакція поділу ядер. Ядерні реактори. Реактори-брідери. Реакції синтезу атомних ядер (ТЯС). Проблеми керованого термоядерного синтезу. Переваги та недоліки ядерної енергетики.

Взаємодія радіоактивних випромінювань з речовиною та біологічними об’єктами (радіаційна стійкість матеріалів, біологічна дія іонізуючих випромінювань). Закон поглинання. Поглинута доза, експозиційна доза та біологічно еквівалентна доза опромінення. Методи реєстрації радіоактивних випромінювань.


Остання версія: понеділок, 19 грудень 2016, 12:47