Програма вивчення навчальної дисципліни “фізика” складена відповідно до освітньо-професійної програми підготовки бакалаврів спеціальності 151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології», освітні програми «Інтелектуальні мехатронні та робототехнічні системи», «Екологічні прилади та системи».
Предметом вивчення навчальної дисципліни «фізика» є закономірності фізичних явищ та їх використання для побудови теоретичних моделей.Програма навчальної дисципліни складається з таких змістових модулів:
1. Механіка.
2. Молекулярна фізика і термодинаміка.
3. Електрика та магнетизм.
4. Коливання та хвилі.
5. Квантова природа світла.
6. Елементи квантової механіки.
1. Мета та завдання навчальної дисципліни
1.1. Метою викладання навчальної дисципліни “фізика” є вивчення всіх основних форм руху матерії, формування в студентів уявлення про фізику як науку, яка має експериментальну основу, ознайомлення з роллю фізичної науки у розвитку науково-технічного прогресу. Поряд з цим в курсі фізики необхідно приділяти належну увагу вивченню фізичних процесів, засвоєнню фізичних понять, законів, принципів, формуванню в студентів екологічних знань, виховуванню в них наукового світогляду, уміння бачити природничо-науковий зміст проблем, що виникають у практичній діяльності фахівця.
Передбачається, що при використанні усіх видів аудиторних занять — лекцій, лабораторних робіт — по кожному розділу буде досягнутий рівень знань, що дозволяє бакалаврові:
- моделювати виникаючі в практичній діяльності ситуації, давати їхній кількісний опис і аналізувати розв’язок відповідних проблем;
- мати систематичні знання й уміння застосовувати їх для розв’язання завдань заданого ступеня складності;
- опанувати прийоми й методи розв’язання конкретних завдань із різних областей фізики;
- ознайомитися із сучасною науковою апаратурою, сформувати навички проведення фізичного експерименту.
1.2. Основними завданнями вивчення дисципліни “фізика” є
- сформувати в студентів наукове мислення, міцні знання основних фундаментальних законів фізики;
- дати уявлення про різні фізичні моделі навколишнього світу, межі застосування різних фізичних теорій, використання законів фізики для пояснення природних процесів;
- озброїти студентів послідовною системою фізичних знань, яка необхідна їм для природничо-наукової освіти, успішного засвоєння спеціальних курсів і може бути використана в їх практичній діяльності.
- сформувати уявлення студентів про фізику як науку, що виникла і розвивається виходячи з практичних потреб людства, розкрити роль фізичного знання в житті сучасної людини, суспільному виробництві, техніці та побуті, сприяти розвитку мотивації учіння фізики;
- розкрити сутність наукового пізнання засобами фізики, показати взаємозв’язок теорії і практики, розвити пізнавальний інтерес студентів.
- розкрити наукові засади сучасного виробництва, техніки і технологій;
- показати межі застосування фізичних законів і теорій;
- сформувати таке ставлення до природокористування, яке б запобігало його шкідливому впливу на навколишнє природне середовище і організм людини.
1.3. Згідно з вимогами освітньо-професійної програми студенти повинні отримати, у результаті вивчення навчальної дисципліни:
Загальні компетентності
К01. Здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях.
К05. Здатність до пошуку, опрацювання та аналізу інформації з різних джерел.
К06. Навички здійснення безпечної діяльності.
К08. Здатність працювати в команді.
Фахові компетентності:
К12. Здатність застосовувати знання з фізики … в обсязі, необхідному для розуміння процесів в системах автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологіях.
На вивчення навчальної дисципліни відводиться 360 годин / 12 кредитів ЄКТС.
2. Інформаційний обсяг навчальної дисципліни
Змістовий модуль 1. Механіка.
Тема 1.1. Кінематика матеріальної точки. Вступ. Предмет і задачі фізики. Система відліку. Поняття матеріальної точки. Поступальний рух. Обертальний рух. Середня швидкість. Миттєва швидкість. Прискорення. Вільне падіння. Нормальне та тангенціальне прискорення.
Тема 1.2. Закони Ньютона. Перший, другий, третій закони Ньютона. Сили в природі (гравітаційна, тертя, пружності).
Тема 1.3. Закони збереження імпульсу та механічної енергії. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух. Центр мас. Робота. Потужність. Кінетична енергія. Потенціальна енергія. Консервативні та неконсервативні сили. Закон збереження механічної енергії.
Тема 1.4. Обертальний рух і закон збереження моменту імпульсу. Кутова швидкість. Кутове прискорення. Момент сили. Основний закон динаміки обертального руху твердого тіла навколо нерухомої осі. Робота і потужність при обертанні тіла. Аналогія між поступальним та обертальним рухом. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу.
Змістовий модуль 2. Молекулярна фізика і термодинаміка.
Тема 2.1. Теплота та температура. Поняття кількості теплоти. Поняття температури, теплова рівновага. Нульовий закон термодинаміки. Термометри. Абсолютний нуль температури. Внутрішня енергія тіла. Теплоємність. Питома теплоємність. Експеримент Джоуля. Рівняння теплового балансу.
Тема 2.2. Речовина і теплота. Термічне розширення тіл. Лінійний та об’ємний коефіцієнти розширення. Біметалічна пластина. Аномальна поведінка води. Фазові перетворення. Питома теплота плавлення і пароутворення. Фазова діаграма. Потрійна та критична точки.
Тема 2.3. Ідеальний газ. Модель ідеального газу. Експериментальні закони ідеального газу. Основне рівняння МКТ ідеального газу. Зв’язок середньої кінетичної енергії поступального руху молекул газу і температури. Внутрішня енергія ідеального одноатомного газу. Розподіл Максвела. Барометрична формула. Закон Больцмана для розподілу частинок у силовому полі.
Тема 2.4. Теплота і робота. Перший закон термодинаміки. Робота над ідеальним газом. Молярні теплоємності для одноатомного газу. Рівняння Майера. Адіабатний процес. Рівняння Пуассона. Двох- і трьохатомні ідеальні гази.
Тема 2.5. Теплообмін. Види теплообміну. Теплопровідність. Закон теплопровідності. Конвекція. Випромінювання. Закон Стефана-Больцмана.
Тема 2.6. Ентропія та 2-ий закон термодинаміки. Ентропія як міра хаосу. Мікро- та макростани системи. Статистичне означення ентропії. Термодинамічне означення ентропії. Другий закон термодинаміки.
Тема 2.7. Теплові двигуни. Принцип роботи теплових двигунів. ККД теплового двигуна. Другий закон термодинаміки у формулюванні Кельвіна та Планка. Теплові насоси і рефрижератори. Другий закон термодинаміки у формулюванні Клаузиуса. Холодильний коефіцієнт та коефіцієнт трансформації. Цикл Карно. Робота двигуна внутрішнього згоряння.
Змістовий модуль 3. Електрика та магнетизм.
Тема 3.1. Заряди та електричні поля. Типи взаємодій у природі. Історичні відомості про розвиток е/д. Електричний заряд. Закон збереження заряду. Закон Кулона. Принцип суперпозиції сил. Напруженість поля. Силові лінії поля. Принцип суперпозиції. Диполь. Електростатична теорема Гаусса. Потік вектора напруженості. Властивості провідників.
Тема 3.2. Енергія електричного поля. Робота з переміщення заряду в електростатичному полі. Потенціал, різниця потенціалів. Зв’язок потенціалу із напруженістю поля. Принцип суперпозиції для потенціалів. Еквіпотенціальні поверхні. Конденсатор. Електрична ємність. Плоский конденсатор, його енергія. Густина енергії електростатичного поля. Діелектрики. З’єднання конденсаторів.
Тема 3.3. Електричний струм. Електричний струм. Сила струму Типи провідності. Опір. Густина струму, вектор густини струму Закон Ома для однорідної ділянки кола, у диференціальній формі. Потужність струму. Закон Джоуля-Ленца. Закон Ома для неоднорідної ділянки кола. Послідовне та паралельне з’єднання провідників. Закони Кірхгофа.
Тема 3.4. Магнетизм. Історичні відомості. Індукція магнітного поля. Дія магнітного поля на заряджені частинки. Робота з переміщення заряду в магнітному полі. Сила Ампера. Магнітний момент та потенціальні енергія витка зі струмом у магнітному полі. Закон Біо-Савара-Лапласа. Закон (теорема) Ампера. Закон Гауса для магнітних полів. Магнітні властивості речовини.
Тема 3.5. Електромагнітна індукція. Досліди Фарадея. Явище е/м індукції. Вихрове електричне поле. Закон Фарадея. Закон Ленца. Застосування явища е/м індукції. Трансформатор. Циркуляція електричного поля.
Тема 3.6. Магнітна енергія. Самоіндукція. Індуктивність. Закон Фарадея і самоіндукція. Робота зі зміни сили струму у провіднику і енергія магнітного поля. Об’ємна густина енергії магнітного поля.
Змістовий модуль 4. Коливання та хвилі.
Тема 4.1. Механічні коливання. Пружинний маятник. Математичний маятник. Фізичний маятник. Згасаючі коливання. Вимушені коливання. Резонанс. Додавання коливань.
Тема 4.2. Механічні хвилі. Поняття хвилі. Поздовжні та поперечні хвилі. Звукові хвилі. Ефект Доплера.
Тема 4.3. Електромагнітні коливання. Вільні гармонічні коливання у коливальному контурі. Згасаючи коливання у коливальному контурі. Вимушені коливання у коливальному контурі.
Тема 4.4. Змінний струм. Активний, ємнісний та індуктивний опір. Додавання напруги у колі змінного струму. Зсув фаз між струмом і напругою в колі змінного струму. Повний опір кола змінного струму. Резонанс напруг і струмів у колі змінного струму. Потужність, яка виділяється в колі змінного струму. Коло з паралельним з'єднанням елементів.
Тема 4.5. Електромагнітні хвилі.
Рівняння Максвела для електромагнітного поля. Властивості е/м хвиль. Напівхвильова антенна. Вектор Умова-Пойнтінга, інтенсивність. Шкала електромагнітних хвиль.
Тема 4.6. Інтерференція світла. Когерентність і монохроматичність світлових хвиль. Явище інтерференції світлових хвиль. Умови максимуму та мінімуму. Розрахунок інтеренференційної картини від двох когерентних джерел світла. Інтерференція світла в тонких плівках. Застосування інтерференції світла.
Тема 4.7. Дифракція світла. Дифракція Фраунгофера. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракція на круглому отворі. Зонна пластинка. Дифракція на круглому диску. Дифракція на одній щілині. Дифракційна ґратка. Роздільна здатність оптичних інструментів.
Тема 4.8. Поляризація світла. Поляризація світла. Природне світло і різні типи поляризованого світла. Поляризація світла при відбиванні. Закон Брюстера. Подвійне променезаломлення. Поляризаційна призма Ніколя. Поляроїди. Закон Малюса.
Змістовий модуль 5. Квантова природа світла
Тема 5.1. Випромінювання енергії тілами. Теплове випромінювання. Абсолютно чорне тіло. Закон Кірхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон зміщення Віна. Розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Формула Релея-Джинса. Ультрафіолетова катастрофа. Квантова гіпотеза, формула Планка. Оптична пірометрія.
Тема 5.2. Фотоелектричний ефект. Ефект Комптона. Фотоелектричний ефект. Ефект Комптона. Зовнішній фотоефект та його закони. Фотони та їх характеристики. Енергія, маса, імпульс. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Червона межа фотоефекту. Ефект Комптона.
Тема 5.3. Фотони та хвилі речовини. Модель Бора для атома Гідрогену Хвилі де-Бройля Експерименти Девісона та Гермера Корпускулярно-хвильовий дуалізм.
Змістовий модуль 6. Елементи квантової механіки
Тема 6.1. Основні поняття квантової механіки. Хвильова функція. Ймовірність і хвильова функція. Умова нормування. Оператори. Середні значення фізичних величин. Принцип невизначеності Гейзенберга: імпульс та координата, енергія та час. Рівняння Шредінгера. Вільна частинка. Частинка, потенціальна енергія якої не залежить від часу. Обмеження на хвильову функцію.
Тема 6.2. Базові задачі квантової механіки. Частинка у прямокутній яма. Тунельний ефект. Автоелектронна емісія. Нанотехнології. Гармонічний осцилятор. Тунельний ефект
Тема 6.3. Атом Гідрогену. Структура хвильової функції. Квантові числа. Енергія. Орбітальний момент імпульсу. Ймовірність знаходження електрона. Магнітний дипольний момент. Ефект Зеємана.
Тема 6.4. Спін електрона та принцип заборони Паулі. Спіновий момент імпульсу. Спіновий магнітний момент. Спін-орбітальна взаємодія. Дослід Штерна-Герлаха. Принцип заборони Паулі. Таблиця Менделєєва.
Тема 6.5. Зв'язок між атомами у кристалах і модель вільних електронів. Іонний зв’язок. Енергія розриву зв’язку. Ковалентний зв’язок. Металічний зв’язок. Модель вільних електронів. Густина станів. Енергія Фермі. Недоліки моделі.
Тема 6.6. Зонна теорія кристалів. Утворення зон. Валентна зона та зона провідності. Метали. Діелектрики. Напівпровідники. Вплив домішок на провідність напівпровідників. Діод. Транзистор.
3. Рекомендована література
Основна
1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3 т./ За ред. І.М. Кучерука. — 2-ге вид., випр. — К.: Техніка. 2006. Т.1: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка / І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук, П.П.Луцик. — 532 с.
2. Кучерук І.М. Загальний курс фізики: У 3 т.: Навч. посіб. для студ. вищ. техн. і пед. закл. освіти / І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук, П.П. Луцик; за ред. І.М. Кучерука. — Т. 2. Електрика і магнетизм. — К.: Техніка, 2001. — 452 с.
3. Кучерук І.М. Загальний курс фізики: У 3 т.: Навч. посіб. для студ. вищ. техн. і пед. закл. освіти / І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук; за ред. І.М. Кучерука. — Т. 3. Оптика. Квантова фізика. — К.: Техніка, 1999. — 520 с.
4. Методичні рекомендації до самостійної практичної роботи з курсу «Фізика» для студентів денної форми навчання / Укладач: О.А. Лозовенко. — Запоріжжя, ЗНТУ, 2019. — 77 с.
Додаткова
1. Мінаєв Ю.П. Математичний апарат фізики для першокурсників : навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / Ю.П. Мінаєв. — Запоріжжя : Запорізький національний університет, 2013. — 200 с.
2. Соколов Є. П. Екзаменаційна фізика. Лекції: навчальний посібник [для студ. вищ. навч. закл.]: в 2 т. / Євгеній Петрович Соколов. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. — Т.1. — 184 с.3. Соколов Є. П. Екзаменаційна фізика. Лекції: навчальний посібник [для студ. вищ. навч. закл.]: в 2 т. / Євгеній Петрович Соколов. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. – Т.2. – 222 с.
Інформаційні ресурси
1. Наукові дослідження та технічні розробки: http://physics.com.ua/
2. The WWW Virtual Library Physics: http://vlib.org/Physics
4. Очікувані результати навчання з дисципліни фізика
Результат навчання у загальному вигляді, згідно зі Стандартом спеціальності:
Знання і розуміння засад фундаментальних та інженерних наук, що лежать в основі галузевого машинобудування (РН1); здатність використовувати отримані знання при аналізі інженерних об’єктів, процесів та методів. (РН5).
У застосуванні до курсу фізики: розуміння змісту досліджуваних фізичних понять, фізичних величин і законів, принципів і постулатів; вміння пояснювати результати спостережень і експериментів; вміння описувати фундаментальні досвіди, що виявили істотний вплив на розвиток фізики; вміння представляти результати вимірів за допомогою таблиць, графіків і виявляти на цій основі емпіричні залежності; вміння застосовувати отримані знання для розв’язання фізичних, практичних завдань; вміння наводити приклади практичного використання знань, сприймати й самостійно оцінювати інформацію.
5. Засоби та критерії оцінювання успішності навчання
Для студентів денної форми навчання: робота на практичний заняттях (40%), перевірка обов’язкового домашнього завдання (20%), короткотривалі тестування (10%), дві аудиторні контрольні роботи (30%). Для студентів заочної форми навчання: захист контрольних робіт, тестування.Кожен змістовний модуль оцінюється за 100-бальною шкалою. Підсумковий контроль визначається як середня двох контролів за перший та другий (третій та четвертий) змістовні модулі.
- Викладач: Лозовенко Оксана