Современная физическая картина мира.

Лекция 42. Элементарные частицы. Их классификация и взаимопревращаемость. Кварки. Вещество и поле. Четыре типа фундаментальных взаимодействий. Понятие об основных проблемах современной физики.

3. ПОЯСНЕНИЯ К КУРСУ ЛЕКЦИЙ

Студент должен хорошо уяснить, что представляет собой предмет физики, какое место она занимает среди других наук и какова ее роль в формировании научного диалектико-материалистического мировоззрения. Будущему инженеру необхо­димо помнить, что физика является фундаментом технических на­ук, тем резервуаром, откуда черпаются технические идеи и новая технология, т.е. она играет важную роль в вопросе технического прогресса.

Для исследования физических явлений, установления взаи­мосвязи между ними физики проводят наблюдения и эксперимен­ты. Для объяснения связи между физическими явлениями создается гипотеза. Верная гипотеза, подкрепленная и проверенная опытны­ми фактами, перерастает в теорию, позволяющую предсказывать новые физические явления.

Студент должен запомнить, что без основательного знания систем единиц, без умения пользоваться ими при решении физиче­ских задач, нельзя усвоить курс физики и применять физические знания на практике. Необходимо знать основные и производные единицы Международной системы единиц (системы СИ).

 

3. 1. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ.

 

Этот раздел не должен дублировать курса теоретической ме­ханики. Изучать основы классической механики надо исходя из представлений современной физики с учетом задач этого курса. Следует обратить внимание на определение механики как науки о простейшей форме движения материи - механическом движении.

Помните, что движение всегда существует в пространстве и во времени. Более того, пространство и время являются объектив­ными формами существования материи и их свойства определяют­ся именно материей.

Следует знать, какие задачи решаются кинематикой и дина­микой, на которые делится механика. Классическая механика Га­лилея - Ньютона - это механика больших масс и относительно малых скоростей.

 

При подготовке по теме 1.1 рекомендуется проработать §1-4 [1] или §1-3 [3].

Следует усвоить, что кри­волинейное движение всегда происходит с ускорением. Необходи­мо уметь вывести формулы тангенциального и нормального уско­рений; уметь перейти от криволинейного движения, общего случая движения, к частным случаям - прямолинейному и равномерному движению.

 

При подготовке по теме 1.2 рекомендуется проработать §6-17 [1] или §5-8 [3].

Необходимо четко знать формулировки, математические вы­ражения, физическое содержание и взаимосвязь законов Ньютона.

Особое внимание следует обратить на введение понятия мас­сы. Студенты должны помнить, что масса является мерой инертно­сти и гравитационных свойств тел, а также мерой полной энергии в теле.

Как физическая величина сила представляет собой меру пе­реноса движения и определяется количеством движения, переда­ваемого одним телом другому за единицу времени. Следует уяс­нить себе статическое и динамическое определение силы.

При рассмотрении третьего закона Ньютона необходимо твердо усвоить, что силы действия и противодействия приложены к разным телам, а также отметить случаи невыполнения этого закона. Следует рассмотреть критический разбор ньютоновских понятий об абсолютном движении, пространстве и времени, а так же обра­тить внимание на метафизичность этих понятий. Необходимо изу­чить вопросы, касающиеся инерциальных систем отсчета, класси­ческого закона сложения скоростей, механического принципа от­носительности и инвариантности уравнений динамики относительно преобразований Галилея.

Изучая закон Гука, следует уяснить физический смысл моду­лей Юнга и сдвига; рассмотреть, от каких факторов зависит трение твердых тел. Как уменьшить трение в механизмах.

Изучая поле тяготения, являющееся одним из видов материи, студент знакомится с началами теории поля. Должны быть хорошо усвоены такие понятия, как напряжен­ность поля, потенциал, градиент потенциала, потенциальная энер­гия системы тел, потенциальная яма, потенциальный барьер, кото­рые являются фундаментальными в теории поля, квантовой и ядер­ной физике.

 

При подготовке по теме 1.3 рекомендуется проработать §5, 36-39 [1] или §4,16-19 [3].

Нужно уметь со­поставлять физические величины, характеризующие поступательно и вращательное движение; различать количество движения и мо­мент количества движения; уяснять физический смысл момента инерции. Студент должен уметь применять закон изменения мо­мента количества движения при решении практических задач.

 

При подготовке по теме 1.4 рекомендуется проработать §19-29 [1] или §9,11-15,19 [3].

Особое внимание нужно обратить на важнейшие законы физики: закон сохранения энергии и закон со­хранения количества движения, проявляющиеся во многих физиче­ских явлениях.

При изучении темы 1.5 рекомендуется проработать §62-71[1] или §34-40 [3].

 

При изучении темы 1.6 рекомендуется проработать методическое пособие «Учимся самостоятельно: Механика жидкостей и газов», Цветкова Е.В.-Мариуполь:ПГТУ,-2002. При этом ответьте на вопросы методического пособия и решите задачи типа 2, 6, 9, 13, 17.

 

3. 3. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 3. Электричество.

Электричество и магнетизм являются составными частями электродинамики. Электродинамика — раздел физики, изучающий электромагнитное излучение, свойства электромагнитного поля и его взаимодействие с электрическими зарядами, связь электрических и магнитных явлений, электрический ток.

Свойства электрического поля и зарядов описывает электростатика. Электростатика изучает постоянные во времени поля неподвижных электрических зарядов, т. е. в ней поля и обусловившие их заряды неотделимы друг от друга.

Электрический ток - важ­нейшее понятие электродинамики — раздел учения об электричестве, в котором рассматривают­ся явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел. Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Особое внимание при изучении этого раздела уделяется законам постоянного тока проводимости.

Электродинамика имеет огромное значение в технике и связи и лежит в основе: радиотехники, электротехники, различных отраслей связи и радио.

 

При изучении темы 2.1 рекомендуется  изучить §1-30 [1] или §77-94 [3].

Эта тема (Электростатика) является фун­даментом раздела «Электричество». Особое внимание следует об­ратить на силовую и энергетическую характеристики поля (напря­женность и потенциал) и на связь между ними.

Необходимо уяснить математические понятия: поток и цир­куляция вектора напряженности поля. Уметь применять теорему Остроградского-Гаусса для вычисления напряженности электриче­ских полей. Необходимо рассмотреть вопрос о напряженности и потенциале в данной точке поля, созданного несколькими заряда­ми, и особо рассмотреть поле электрического диполя.

Электрическое поле в диэлектриках. Следует изучить физическую картину поляризации полярных и неполярных диэлек­триков, а также количественную меру поляризации диэлектриков — вектор поляризации.

Необходимо знать преимущества вектора электрического смещения перед вектором напряженности для описания электриче­ского поля в неоднородных диэлектриках.

Важно уяснить физические свойства сегнетоэлектриков, а также прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты и их при­менение в технике.

Проводники в электрическом поле. Следует внима­тельно рассмотреть опыты, доказывающие, что электрические за­ряды распределяются на внешней поверхности проводников.

Необходимо глубоко изучить вопросы об электроемкости проводников, единицах её измерения, конденсаторах, их соедине­нии и применении.

Энергия электростатического поля. Необходимо уметь получить формулы, по которым рассчитывается энергия сис­темы неподвижных точечных зарядов, заряженного проводника, однородного электростатического поля.

При рассмотрении энергетических вопросов следует указать на неприемлемость теории дальнодействия через пустое простран­ство. Поле, как и вещество, есть форма материи.

 

При изучении темы 2.2 §31-38 [1] или §95-102 [3].

При изучении постоянного тока следует обратить особое внимание на различие полей в статическом случае и при наличии тока в проводнике (неэквипотенциальность поверхности проводни­ка). Необходимо четко разграничить понятия разности потенциа­лов, электродвижущей силы и напряжения.

Следует внимательно рассмотреть законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме и уяснить их значение. Изучая правила Кирхгофа, нужно учитывать, что они играют важную роль в электр- и радиотехнических расчетах.

Следует изучить экс­периментальное определение заряда электрона (опыт Милликена), экспериментальное доказательство электронной природы тока в металлах (опыты Мандельштама и Папалекси, Стюарта и Толмэна).

 

3. 3. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 3. и ЭЛЕКТРОмагнетизм.

При изучении темы 3.1 рекомендуется проработать §39-59 [1] §110-136 [3]

Особое внимание следует уделить важнейшему закону элек­тродинамики - закону Ампера, определению силы тока в системе СИ и силы Лоренца. Следует рассмотреть эффект Холла, который имеет большое значение для установления типа проводимости по­лупроводников.

Студент должен уметь провести расчет напряженности маг­нитного поля прямолинейного и кругового токов при помощи зако­на Био-Савара-Лапласа, а также работы перемещения контура с током в магнитном поле. При этом следует обратить внимание, что работу совершает не магнитное поля, а сторонние силы, порож­дающие электрический ток. Следует хорошо уяснить, исходя из выражения циркуляции вектора напряженности магнитного поля, что магнитное поле, в отличие от электростатического, является вихревым.

 

Магнитные свойства вещества. Изучение магнитных свойств вещества в этой теме носит в основном описательный ха­рактер. Уже здесь, при введении гиромагнитного отношения для электрона в атоме, надо обратить внимание на расхождение теории, которая основывается на полуклассической модели атома по Бору, и экспериментальных данных. Необходимо подчеркнуть, что объ­яснение возможно лишь в квантовой теории при учете спина элек­трона.

Надо обратить внимание на работы Столетова по ферромаг­нетизму. Необходимо запомнить, что в настоящей время особое значение имеют ферриты - магнитные полупроводники: у них сравнительно большое удельное сопротивление, что обуславливает их широкое применение в радиотехнике.

 

При изучении темы 3.2 рекомендуется проработать §60-67, 88-109[1] или §123-131, 143,146, 146,147, 161-164 [3].

Электромагнитная индукция. Разбирая явление элек­тромагнитной индукции, надо усвоить механизм возникновения э.д.с. индукции через возникновение вихревого электрического поля. Важно уметь вывести формулы э.д.с. индукции, энергии маг­нитного поля. Необходимо четко уяснить закон Ленца и сущность вихревых токов.

 

Электромагнитные колебания. Изучая процессы, которые происходят в коле­бательном контуре, необходимо понять взаимопревращения энер­гий электрического и магнитного полей и вывод формулы Томсона. Внимательно рассмотреть контур с омическим сопротивлением, индуктивностью и емкостью, резонанс токов и напряжений.

Электромагнитные волны. Необходимо четко уяснить физический смысл тока смещения, уравнений Максвелла в интегральной и дифференци­альной формах; вектора Пойнтинга.

 

Нужно твердо усвоить, что теория электромагнитного поля Максвелла есть макроскопическая теория; изменения электриче­ского и магнитного полей возможны только на расстояниях, кото­рые значительно превышают размеры атомов и молекул. Теория Максвелла не учитывает строения вещества и взаимодействия электромагнитного поля с отдельными частичками вещества. Влияние вещественной среды на электромагнитное поле учитыва­ется введением эмпирических величин диэлектрической и магнит­ной проницаемости среды.

 

3. 4. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ОПТИКА.

Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются опре­деленной повторяемостью во времени. Физическая природа колеба­ний может быть разной, поэтому различа­ют колебания механические, электромаг­нитные и др. Однако различные колеба­тельные процессы описываются одинако­выми характеристиками и одинаковыми уравнениями. Отсюда следует целесооб­разность единого подхода к изучению ко­лебаний различной физической природы.

Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом (или волной ). При распростра­нении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, яв­ляется перенос энергии без переноса ве­щества. Среди разнообразных волн, встречаю­щихся в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромагнитные волны.

Волновая оптика — раздел оптики, который описывает распространение света с учётом его волновой природы. Явления волновой оптики - интерференция, дифракция и т. п.

Волновая оптика является частью общего учения о распространении волн. Следует помнить об общности явлений интерференции и дифракции волн любой природы. Изучение этих явлений должно подготовить студента к пониманию основ волно­вой механики атома и твердого тела.

Необходимо ознакомиться с историческим обзором развития представлений о природе света (теории Ньютона, Гюйгенса, Мак­свелла, квантовой природы света). Принцип Гюйгенса надо уметь применить при выводе законов отражения и преломления света.

Необходимо знать, наряду с общими волновыми свойствами, специфические особенности световых волн и практические прило­жения, основанные на этих особенностях.

Следует запомнить, что в электромагнитной волне векторы напряженностей электрического и магнитного полей изменяются в одинаковой фазе. Надо уметь показать это, используя уравнения Максвелла.

Изучая шкалу электромагнитных волн, следует обратить внимание на то, что радиоволны и световые волны имеют одинако­вую электромагнитную природу, а следовательно, и свойства. Шка­ла электромагнитных волн представляет собой непрерывно запол­ненную область от бесконечно длинных электромагнитных волн, соответствующих постоянному току, до волн, длина которых изме­ряется пикометрами.

 

При изучении темы 4.1 рекомендуется проработать § 49-61[1] или методическое пособие «Учимся самостоятельно: Механические колебания и волны», Цветкова Е.В., Джеренова А.В. Мариуполь: ПГТУ,-2006.

Необходимо четко уяснить понятия фазы, разности фаз, амплитуды, частоты, круговой частоты, периода ко­лебаний, обратить внимание на то, что график смещений в колеба­тельном движении (синусоида или косинусоида) ничего общего не имеет с траекторией движения частицы.

Нужно отчетливо различать случаи сложения одинаково на­правленных и взаимно перпендикулярных колебаний, хорошо по­нять влияние разности фаз складываемых колебаний на результат сложения.

Необходимо изучить зависимость амплитуды и фазы вынуж­денных колебаний от соотношения между частотами собственных и вынужденных колебаний, а также от затухания системы.

Следует внимательно рассмотреть вопрос о нелинейных ко­лебаниях и автоколебаниях, уметь привести примеры нелинейных колебательных и автоколебательных систем.

 

При изучении темы 4.2 рекомендуется проработать §153-159 [3] или методическое пособие «Учимся самостоятельно: Механические колебания и волны», Цветкова Е.В., Джеренова А.В. Мариуполь: ПГТУ,-2006.

Необходимо обратить внимание на картину мгно­венного распределения смещений и скоростей в бегущей волне; различие между бегущей и стоячей волнами, зависимость фазовой скорости от частоты колебаний (дисперсии волн), заметив, что в тех случаях, когда эта зависимость отсутствует, фазовая скорость совпадает с групповой; отсутствие переноса энергии в стоячей вол­не. Следует обратить особое внимание на энергетические соотно­шения при интерференции волн, в частности, на кажущиеся пара­доксы при интерференции волн, объяснимые перераспределениями энергии в местах максимумов и минимумов. Необходимо уметь вывести условия максимума и минимума интерференции, что пона­добится при изучении оптики

При изучении тем 4.3 и 4.4 рекомендуется проработать § 110,118, 119-133 [1] или §171-185 [3].

Интерференция света. Надо рассмотреть методы полу­чения когерентных лучей. Особое внимание следует обратить на интерференционные явления: цвет тонких пленок, полосы равной толщины и разного наклона.

Необходимо помнить, что при интерференции света имеет место простая суперпозиция, а не взаимодействие волн, и перерас­пределение энергии в интерференционной картине. Когерентность и монохроматичность связаны с конечной длительностью свечения отдельного атома. Расчет интерференционной картины следует вести графическим методом. При рассмотрении интерференцион­ных измерений следует обратить внимание на оценку их чувстви­тельности.

Дифракция света. Необходимо уметь объяснить с помо­щью зон Френеля дифракционную картину за малым круглым от­верстием или за круглым непрозрачным экраном.

Надо уметь пользоваться графическим методом сложения амплитуд. Необходимо рассмотреть влияние дифракции на разре­шающую способность микроскопа, вывести формулу дифракцион­ной решетки и уметь её применять. Следует обратить внимание на условие наблюдения дифракции света.

Дифракция рентгеновских лучей. Необходимо разо­брать опыты, в которых наблюдается дифракция и интерференция рентгеновских лучей, вывести формулу Вульфа-Бреггов и уметь объяснить её значение в рентгеноструктурном анализе, имеющем важнейшее практическое значение.

 

При изучении темы 4.5 рекомендуется проработать §134-141 [1] или §191-196 [3].

Поляризация света. Следует изучить способы получения поляризованного света, отчетливо уяснить сущность двойного лу­чепреломления, эффекта Керра.

Рассмотреть устройство и применение поляризующих призм и поляроидов, искусственную анизотропию.

Необходимо подчеркнуть принципиальное значение поляри­зационных эффектов (они доказывают поперечность световых волн) и обратить внимание на их практическое применение (поляриметрия, сахариметрия, оптический анализ упругих напряжения и пр.).

Дисперсия света. Необходимо хорошо уяснить сущность электронной теории дисперсии света, отличие нормальной диспер­сии от аномальной, дисперсионного спектра от дифракционного.

Согласие теории дисперсии и поглощения с опытом является важным аргументом в пользу классической осцилляторной теории атома. Это согласие носит только качественный характер. Следует уметь объяснить наличие окраски тела в отраженном и проходящем свете.

 

При изучении темы 4.6 рекомендуется проработать § 1-11 [1] или §197-207 [3].

Тепловое излучение. Решение задачи о распределении энергии по частотам в спектре черного тела привело к созданию теории квантов. Особое внимание следует обратить на формулу Планка, из которой можно вывести законы Стефана-Больцмана и Вина. Студент должен ознакомиться с практическими примене­ниями теплового излучения (лучистый нагрев, оптическая пиромет­рия).

Фотоэлектрический эффект и давление света. При изучении фотоэффекта обратить внимание на проявление здесь квантовой природы света. Необходимо знать формулу Эйнштейна для фотоэффекта и уметь объяснить на её основании закономерности, установленные Столетовым. Рассмотреть практическое применение фотоэффекта (фотоэлементы, фотоумножители).

При изучении светового давления обратить внимание на то, что данное явление успешно объясняется как с позиций волновых представлений, так и с позиций квантовой теории излучения. Сле­дует изучить эффект Комптона, подтверждающий наличие у фото­на, кроме энергии и массы, импульса.

 

3.5. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 5. «КВАНТОВАЯ И АТОМНАЯ ФИЗИКА».

 

Квантовой физикой часто называют совокупность различных разделов физики, в которых принципиальную роль играют эффекты квантовой механики, проявляющиеся, как правило, на уровне микромира. Сюда относится полуклассическая квантовая теория света и вещества в духе Боровский модели атома непосредственно сама квантовая механика в её современной формулировке релятивистская теория квантовых явлений — квантовая теория поля — и её конкретные применения: ядерная физика, физика элементарных частиц квантовая теория конденсированных сред

 

 

При изучении темы 5.1 рекомендуется проработать § 18-20 [1] или §213-215 [3].

Надо рассмотреть обоснование корпускулярно-волнового дуализма материи (опыты Девиссона и Джермера, Тартаковского и др.). Особенно важно уяс­нить, что движение любой частицы по де Бройлю сопровождается волновым процессом; исходя из соотношения неопределенности, рассмотреть границы применимости классической механики. Соотношение неопределенностей Гейзенберга гласит о невозможности одновременного, одинаково точного измерения координаты и им­пульса частицы. Не следует, конечно, думать, что это связано с каким-либо несовершенством измерения, которое преодолеется физикой в будущем.

 

При изучении темы 5.2 рекомендуется проработать § 21-27 [1] или §216-222 [3].

Следует обратить внимание на статистический смысл волно­вой функции в уравнении Шредингера. Нужно иметь ввиду, что уравнение Шредингера, как и все основные уравнения физики, не выводится, а устанавливается. Его правильность подтверждается согласием его решений с опытными данными. Решение уравнения Шредингера с соответствующими граничными условиями и усло­вием нормировки волновой функции позволяет получить набор волновых функций для различных энергетических уровней частиц, а также величины дозволенный энергий частицы.

Необходимо рассмотреть применение уравнения Шредингера к «электрону в потенциальной яме» и к атому водорода в нормаль­ном состоянии.

 

При изучении темы 5.3 рекомендуется проработать § 28-38 [1] или §223-229 [3].

Очень важно разобрать происхождение линейчатых спектров на примере атома водорода по теории Бора, усвоить идею кванто­вания. Надо знать основные квантовые числа и их физический смысл. Необходимо подчеркнуть, что теория Бора встречает ряд затруднений. Она не поясняет аномальной дисперсии света, мультиплетности спектров, ничего не говорит об интенсивности спек­тральных линий и др.

Периодическая система элементов и спектры. Сле­дует разобрать опыты Штерна и Герлаха. Надо обратить внимание на физический смысл спинового квантового числа.

Открытая Менделеевым периодичность свойств элементов отражает периодичность в расположении электронов в атомах. Не­обходимо уяснить значение принципа Паули для решения вопроса о связи между периодической системой Менделеева и слоистым распределением электронов внутри атома.

Следует обратить внимание на различие механизмов возник­новения рентгеновских и оптических спектров.

 

3. 2. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 2. ОСНОВЫ физикИ МАКРОСИСТЕМ.

 

Молекулярно-кинетическая теория является важнейшей теорией, которая позволяет с единой точки зрения рассмотреть огромное количество самых различных явлений во всех состояниях вещества, вскрыть физическую сущность этих явлений и теорети­ческим путем вывести многочисленные закономерности открытые экспериментально и имеющие большое практическое значение.

Молекулярная фи­зика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул.

Молекулярная физика — раздел физи­ки, изучающий строение и свойства ве­щества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Термодинамика — раздел физики, изу­чающий общие свойства макроскопиче­ских систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и про­цессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микро­процессы, которые лежат в основе этих превращений.

 

При изучении темы 6.1 рекомендуется проработать § 41-43, 60-62 [3] и методическое пособие «Учимся самостоятельно: Реальные газы», Цветкова Е.В.-Мариуполь:ПГТУ,-2002.

Необходимо рассмотреть опытное обоснование молекулярно-кинетической теории. Необходимо ознакомиться с термодинамическим и статисти­ческим (молекулярно-кинетическим) методом изучения макроско­пических тел и соотношения между этими методами.

Нужно обратить особое внимание на то, что при выводе ос­новного уравнения молекулярно-кинетической теории газов при­меняется статистический метод. Надо знать молекулярно-кинетическое толкование давления и температуры.

Следует хорошо понять, при каких условиях и почему отсту­пление от законов идеального газа становится существенным; про­анализировать изотермы Ван-дер-Ваальса и отметить, каким со­стояниям вещества соответствуют участки кривых, обратив внима­ние на критическое состояние.

Необходимо рассмотреть характер зависимости межмолеку­лярных сил от расстояния и их роль в объяснении эффекта Джоуля-Томсона.

 

При изучении темы 6.2 рекомендуется проработать §82-90,104-108 [1] или §50-59 [3].

Следует ознакомиться с историей развития взглядов на природу теплоты, обоснованием закона сохранения и превращения энергии. Эти вопросы представляют одну из интерес­нейших страниц в истории физики.

Необходимо уяснить, что внутренняя энергия системы явля­ется функцией состояния; усвоить формулировку первого начала термодинамики; дать аналитическое выражение и уметь применять его к различным изопроцессам. Необходимо знать графическое представление работы, совершаемой газом при различных процес­сах.

Изучая вопрос о теоретическом выводе формулы теплоемко­сти газов, следует обратить внимание на то, что в его основе лежит понятие о числе степеней свободы и закон равномерного распреде­ления энергии по степеням свободы, который является приближен­ным. Поэтому вывод о том, что теплоемкости газов не зависят от температуры, оказывается верным только для средних температур. Правильное качественное и количественное толкование экспери­ментальных данных по измерению теплоемкости в широком интер­вале температур возможно только на основе квантовой теории теплоемкостей.

Следует четко уяснить понятие прямых и обратных, круговых, необратимых и обратимых процессов, рассмотреть цикл тепловой машины Карно и её к.п.д. Второе начало термодинамики указывает на направление протека­ния процессов.

Особенно важно знать статистический смысл второго начала термодинамики, понятие энтропии и существование флюктуации. Следует обратить внимание на то, что энтропия, как и энергия, яв­ляется однозначной функцией состояния.

 

При изучении темы 6.3 рекомендуется проработать §128-132 [1] или §48 [2]. При этом ответьте для себя на следующие вопросы:

Особое внимание необходимо обратить на явления переноса, которые лежат в основе большинства технологических процессов, и подробно ознакомиться с выводом формулы хотя бы одного из коэффициентов переноса.

 

При изучении темы 6.4 рекомендуется проработать методические пособия «Учимся самостоятельно: Основы статистической физики ч.1. Статистика Максвелла-Больцмана», Цветкова Е.В.-Мариуполь:ПГТУ,-2003. и «Учимся самостоятельно: Основы статистической физики, ч.2. Статистики квантовых систем», Цветкова Е.В.,-Мариуполь: ПГТУ,-2003,28с. и § 48,49, 51-59, 93-102[1] или §44-45 и 234-236 [3].

 

Следует четко уяснить смысл максвелловского распределе­ния молекул по скоростям и его зависимость от температуры, об­стоятельно проанализировать вопрос о распределении частиц в потенциальном поле (распределение Больцмана), научиться приме­нять барометрическую формулу для решения различных физиче­ских задач (определение числа Авогадро).

 

При изучении темы 6.5 рекомендуется проработать §238-250 [3].

Элементы зонной теории твердых тел. Необходимо обратить внимание на то, что энергетические состояния электронов определяются не только их взаимодействием с ядром своего атома, но и электрическим полем решетки, что приводит к расщеплению энергетических уровней электронов и образованию зон разрешенных и запрещенных значений энергии. Согласно принципу Паули энергетические уровни обладают ограниченной вместимостью.

Задачей зонной теории твердого тела является объяснение электрических, фотоэлектрических, магнитных и вообще макро­скопических свойств твердого тела с точки зрения строения кристалла вообще, т.е. речь идет о раскрытии микроскопического механизма макроскопических процессов. В основе зонной теории твердого тела лежат идеи о самосогласованном поле и периодическом характере силового поля, в котором движется каждый  отдельный электрон. Самосогласованное поле представляет собой такое эффективное стационарное поле, которое характеризуется определенным образом усредненным пространственным распределением заряда всех электронов системы, в котором каждый электрон уже движется независимо от остальных, а силовое поле отражает в себе периодическую структуру решетки.

Необходимо обратить внимание на то, что по расположению зоны проводимости относительно валентной зоны можно судить о принадлежности твердого тела к проводникам, диэлектрикам или полупроводникам.

Следует четко уяснить, что понятие зоны введено только для того, чтобы подчеркнуть, что те или иные электроны (данной зоны) обладают энергией, лежащей в определенных пределах. Когда мы говорим, что электрон расположен в какой-то зоне, то под этим подразумеваем только его энергетическое состояние, запас энер­гии, которым обладает этот электрон, а не геометрическое его рас­положение в теле.

Металлы. Электроны проводимости в металле подчиняют­ся принципу Паули и квантовой статистике Ферми-Дирака, а не классической статистике.. Совокупность электронов можно рас­смотреть в первом приближении как идеальный квантовый газ. Следует обратить внимание на изменение распре­деления Ферми в результате теплового возбуждения. Ввести поня­тие вырождения как практической независимости энергии и давле­ния электронного газа от температуры. Вопросы квантовой теории электропроводности и контактных явлений сле­дует рассмотреть с качественной стороны. Здесь важно обратить внимание на роль тепловых колебаний в кристаллической решетке, дефектов и примесей в создании электрического сопротивления.

 

Полупроводники. Необходимо познакомиться с основны­ми типами полупроводниковых материалов. Обратить внимание на возникновение примесных энергетических уровней (донорных и акцепторных) и механизм проводимости в этих случаях. Необхо­димо рассмотреть выпрямляющее действие контакта полупроводников разного типа проводимости, обратить внимание на технические применения полупроводников.

 

3. 7. Рекомендации к самостоятельной работе студентов по разделу 7. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

 

При изучении темы  7 проработайте §94-102 [1] или § 269-275 [3].

Элементарные частицы. Следует обратить внимание на состав космических лучей, современные методы ускорения частиц, античастицы, на классификацию и взаимную превращаемость эле­ментарных частиц. Необходимо знать, каково современное пред­ставление о природе и основных характеристиках элементарных частиц, а также какими методами получают и исследуют эти части­цы. Проблему античастиц следует рассмотреть на основе сведений о позитроне.

4. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

ОСНОВНАЯ:

1. Савельев И.В. Курс физики, т. 1-3. -М.: Гл. ред. Физ.-мат. лит.,1989.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики, т. 1-3. М.: Высшая школа, 1989.

3. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 1985, 1990.

4. Волькенштейн B.C. Сборник задач по общему курсу физики. - М., Высшая школа, 1985.

5. Чертов А.Г., Воробьёв А.А. Задачник по физике. - М., Высшая школа, 1981.

6. Методические материалы кафедры физики ПГТУ, 1981-2007.

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

1. Сивухин Д.И. Общий курс физики, т. 1-5-М.: Наука, 1977-1986.

2. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндо. Фейнмановские лекции по физи­ке, т. 1-9- М.: Мир, 1977.

3. Берклеевский курс физики, т. 1-5-М.: Наука, 1975-1977.

4. Орир Дж. Физика. - М.: Мир, 1981. Т. 1-2

5. Хайкин С.Э. Физические основы механики. - М.: Наука, 1971.

6. Калашников С.Г. Электричество. — М.: Наука, 1977.

7. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976.

8. Тарасов Л.В. Основы квантовой механики. - М.: Высшая шко­ла, 1978.

9. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа,1977.

10. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978.

11. И. Новодворская Е.М, Дмитриев Э.М. Методика проведения уп­ражнений по физике во втузе. - М: Высшая школа, 1981.

12. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. - М: Наука, 1977.

13. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984.

5. О РАБОТЕ НАД ТЕОРЕТИЧЕСКИМ КУРСОМ

 

Самостоятельное систематическое изучение курса физики по учебным пособиям является главным видом работы студента. Ре­зультат изучения курса устанавливается во время экзамена или зачета в конце семестра. К экзамену допускаются студенты, кото­рые выполнили и сдали лабораторные работы; выполнили и сдали задания по практическим занятиям (в виде домашних задач по пла­ну практических занятий).

Изучение курса должно идти в строгой последовательности, которая определена рабочим планом-программой. При изучении темы студенты с очной системой обучения должны обратить вни­мание на то, какие вопросы включены в лекции и какие вынесены для самостоятельной проработки. Студенты заочного отделения самостоятельно изучают материал и только в период зачетно-экзаменационной сессии слушают обзорные лекции. Этим студен­там настоятельно рекомендуется кроме учебных пособий изучить конспект лекций лектора и все рекомендации по самостоятельному изучению курса. Студенту рекомендуется вести краткий конспект, в котором следует записывать название темы, рассматриваемый вопрос, основные формулировки, определения, схемы, выводы формул и типичные задачи. Параллельно с изучением теории необ­ходимо выполнять контрольные работы. Окончив изучение темы, студент должен внимательно повторять материал до тех пор, пока он не сможет самостоятельно и полно изложить его содержание.

В процессе изучения теоретического материала работа над учебником является основной. Студентам рекомендуется использо­вать новейшие издания учебных пособий согласно списку. Для выяснения отдельных вопросов следует, пользуясь предметным указателем книги, находить соответствующие параграфы. В случае необходимости студент должен обратиться за консультацией к преподавателю. Студент должен помнить, что какой-либо непонят­ный ему материал будет мешать изучению последующих тем курса.

Самоконтроль пройденного студентом материала м