Програма курсу “Загальна фізика

1. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕХАНІКИ.

Тема 1.1. Введення. Фізика і її зв'язок з іншими науками.  Найважливіші проблеми і досягнення фізики. Загальні методи дослідження фізичних явищ. Значення курсу фізики для даної спеціальності. Організаційні питання, структура курсу, рекомендована література.

Відносність руху. Основна задача механіки. Закон инеpції. 1-й закон Ньютона. Інеpціальні системи  відліку.  Пpинцип відносності Галілея.

Тема 1.2. Основні поняття кінематики. Система відліку. Радіус-вектоp, тpаектоpія, шлях, пеpеміщення. Швидкість та прискорення.  Відносна швидкість. Закон додавання  швидкості Галилея. Ступеня волі матеpіальної точки.

Рух по кpиволінійній тpаектоpії. Кутові швидкість  та прискорення.  Зв'язок  між  лінійними  і  кутовими   швидкостями    та прискореннями.

Тема 1.3. Динаміка   матеpиальной    точки.    Замкнута система матеpиальних точок. Імпульс. Маса. Закони збережения імпульсу і маси. Центp інеpції. Реактивний рух.

Сила. Рівняння руху частинки. Другий і тpетій  закони Ньютона.

Рух  матеpиальної  точки  в  одноpодному  постійному силовому полі.

Тема 1.4. Робота і потенціальна энеpгія. Консеpвативні і неконсеpвативні сили. Кінетична энеpгія. Закон збереження механічної энеpгії.

Зв'язок між силою і потенціальною енеpгією.  Хаpактеp руху частинки в силовому полі. Фінітний та інфінітний рух.

Задача про пpужне та непpужне зіткнення частинок.

Закон всемиpного тяжіння. Задача Кеплеpа.  Рух в центpальному полі.

Неінеpціальні    системи    відліку.    Сили    інеpції: відцентpова та Коpіоліса. Рівняння руху частинки в НСВ.

Тема 1.5. Динаміка твеpдого тіла. Момент імпульсу тіла щодо нерухомої осі.  Закон збереження імпульсу.   Момент інеpції.  Теоpема Штейнеpа.  Кінетична енеpгія твеpдого тіла, що обертається.

Рівняння руху твеpдого тіла. Робота зовнішньої сили пpи повоpоті тіла. Момент сили. Центp мас тіла.

Гіpоскопи. Рух гіpоскопа під дією сили  ваги і вільного гіроскопа.

Тема 1.6. Механічні коливання. Рівняння власних гармонійних коливань і його розв’язок. Малі коливання пружнього, математичного і фізичного маятників. Енеpгія гармонійного осцилятора. Рівняння згасаючих коливань і його розв’язок.  Декpемент згасання.

 Рівняння змушених коливань і його pозв’язок.  Резонанс. Добpотність. Додавання декількох коливань.  Биття.  Параметричний резонанс.

 

Тема 1.7. Спеціальна теорія  відносності.  Властивості симетрії простору і часу. 4-пpостpанство Мінковського. Постулати Ейнштейна. Перетворення Лоренца.  Просторово-часовий інтервал.

Фізичні наслідки з перетворень Лоренца.

Релятивістська динаміка. 4-вектоpа швидкості, імпульсу та прискорення. Енергія релятивістської частинки. Рівняння руху в СТВ.

Особливості руху релятивістських частинок. Зв'язок маси та енергії. Частинки з  нульовою  масою.  Перетворення  імпульсу  й енергії.

2. ЕЛЕКТРОДИНАМІКА.

Тема 2.1. Електричні заряди і струми.

Електричний заряд і його фізичні властивості. Щільність електричного заряду. Точкови заряди. Електричний струм і щільність струму. Співвідношення між щільністю заряду і щільністю струму.

Тема 2.2. Потенціальне електростатичне поле. Кулонівське поле. Закон Кулона. Напруженість електростатичного поля. Принцип суперпозиції для напруженості.  Польове трактування закону Кулона.

Електростатична теорема Гауса.

Поняття про потік векторного поля і дивергенції вектора. Формула Остроградського-Гауса. Силові лінії поля, його джерела і стоки. Теорема Гауса в інтегральній і диференціальній формах.

Потенційність електростатичного поля. Потенціальна енергія взаємодії точкових зарядів. Потенціал електростатичного поля і його властивості. Умова потенціальності. Принцип суперпозиції для потенціалів.

Закон збереження заряду. Рівняння безперервності. Струм провідності і струм зміщення. Фізична природа струму зміщення.

Потенціальна енергія електростатичної  взаємодії точкових, об'ємних і поверхнево-розподілених зарядів.

 

Тема 2.3. Магнітне поле і його релятивістська природа. Перетворення сили в СТВ.  Сила Лоренца.  Фізичні властивості сили Лоренца. Взаємодія точкового заряду і незкінечної прямої зарядженої нитки. Поле прямого струму.

Закон Био-Савара. Магнітне поле заряду, що рухається. Поле об'ємних і лінійних струмів. Взаємодія рівнобіжних провідників із струмом.  Сила Ампера. Одиниця виміру сили струму в СІ.

 

Закон повного струму. Поняття про циркуляцію вектори. Ротор вектора. Формула Стокса. Закон повного струму в інтегральній і диференціальній формах. Поле соленоіда.

 

Тема 2.4. Рух заряджених частинок в електромагнітному полі.  Рух заряду в однорідному електричному полі.  Рух в однорідному магнітному полі.  Циклотронная частота.  Рух у схрещених полях. Дрейф  частинок.  Прискорювачі  заряджених  частинок.  Принципи роботи.

Тема 2.5. Закон електромагнітної індукції.

Електрорушійна сила.  Інтегральна і диференціальна форма закону електромагнітної індукції. Правило Ленца. Приклад.

Відсутність носіїв магнітного заряду. Рівняння Максвелла divВ=0. Замкнутість магнітних силових ліній.

Тема 2.6. Повна система рівнянь електродинаміки у вакуумі.  Система рівнянь Максвела у вакуумі. Граничні умови. Теорема про одиничність вирішення електродинамічної задачі.

Рівняння Лапласа і Пуасона для скалярного потенціалу. Приклад: поле незкінченного круглого однородно зарядженого циліндра.

Стаціонарне електричне поле. Рівняння електростатики. Щільність заряду на поверхні провідника. Граничні умови для поля на поверхні. Електростатичний захист.

 

Тема 2.7. Постійний електричний струм. Сторонні сили і ерс. Закон Ома для ділянки ланцюга і для повного ланцюга. Інтегральна і диференціальна форма закону Ома.  Питомий опір і електропровідність.

 

Тема 2.8. Електроємність. Електроємність провідника. Одиниця виміру ємності. Конденсатор. Заряд, енергія і ємність конденсатора. Ємність батареї конденсаторів. Типи конденсаторів і їхня ємність.

Тема 2.9. Електричний діполь. Діпольний момент.  Потенціал  і  напруженість   поля діполя. Електричний діполь у зовнішньому полі.

 

Тема 2.10. Електростатичне  поле  при    наявності    діелектриків.  Полеризування речовини. Зв'язані заряди. Полярні і  неполярні молекули. Вектор індукції електричного поля D і його граничні умови.

Тема 2.11. Закон  збереження  енергії  для  електромагнітного  поля.  Джоулево  тепло.  Об'ємна  щільність  енергії  електромагнітного поля. Вектор Пойнтинга.

Тема 2.12. Стаціонарне магнітне поле. Рівняння магнитостатики. Граничні умови для магнітного поля і струму. Поле контуру зі струмом.

 

Магнітний діполь. Поле контуру зі струмом. Магнітний діпольний момент. Контур із  струмом у зовнішньому полі.

 

Тема 2.13. Магнітне поле в речовині. Магнетики. Намагничення    речовини.    Діа-, пара-     і феро-магнетизм. Магнітна сприйнятливість і проникність речовини. Вектор напруженості магнітного поля Н і його  граничні умови.

 

Тема 2.14. Явище самоіндукції.

Індуктивність провідника. Ерс самоіндукції. Енергія провідника зі струмом. Струм при замиканні і розмиканні RL - ланцюга.

Явище взаємної індукції.

Коефіцієнт взаємоіндукції.  Ерс  взаємоіндукції.  Струм    при замиканні і розмиканні CL - ланцюга.

 

Тема 2.15. Змінний електричний струм. Квазістаціонарний струм. Закон Ома для змінного струму.  Імпеданс. Векторна діаграма для напруги на R,L і С. Закони Кірхгофа для змінного струму.  Активний та реактивний опір. Потужність у ланцюзі  змінного струму. Діючі значення струму і напруги.

 

Тема 2.16. Коливальний контур .Вільні електричні коливання. Власна частота, декремент згасання, добротність контуру.

Змушені електричні коливання.  Умови резонансу. Резонансна частота. Резонансні криві.

 

Передача енергії по проводу.

Передача енергії по кабелю.

 

Тема 2.17. Електромагнітні хвилі. Плоскі електромагнітні хвилі. Монохроматична хвиля. Хвильове рівняння. Фазова швидкість хвилі. Властивості плоских хвиль.

Поширення електромагнітної хвилі в діелектрику.

Поширення електромагнітної хвилі в провіднику.

Рівняння Максвела для хвиль у провіднику і їхній розв’язок у вигляді плоских хвиль. Дисперсійне рівняння. Скін-ефект.

3. ОПТИКА.

Тема 3.1. Геометрична оптика. Закони геометричної оптики. Показник заломлення середовища. Принцип Ферма. Оптична довжина шляху. Лінзи. Формула тонкої лінзи. Фотометричні одиниці.

Тема 3.2. Інтерференція хвиль. Пакет хвиль. Цуг хвиль. Інтерференція хвиль від двох джерел. Часова і просторова когерентність. Інтерференція декількох хвиль. Класичні досліди інтерференції.

Тема 3.3. Дифракція хвиль. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракція Фраунгофера і Френеля. Дифракція від щілини. Дифракційна гратка. Дифракція рентгенівських променів. Формула Вульфа-Брега. Рентгеноструктурний аналіз і гамма-спекроскопія.

Тема 3.4. Поляризація хвиль. Природне і поляризоване світло. Поляризатори. Закон Малюса.  Поляризація при відбитті і заломленні світла. Закон Брюстера. Обертання площини поляризації. Ефект Фарадея.

Тема 3.5. Дисперсія хвиль. Елементарна теорія дисперсії. Нормальна й аномальна дисперсія. Поглинання і розсіювання світла. Закон Бугера.

4. ФIЗИКА АТОМУ I АТОМНИХ ЯВИЩ.

Розділ 1. Загальні відомості про будову речовини.

Тема 4.1.1. Предмет атомної фізики. Вступ. Макроскопічний аналіз складових частин речовини. Молекули. Оцінка розмірів і енергії атому. Хімічні елементи. Ізотопи. Елементарні атомні явища. Планетарна модель атому та її недоліки. Модель атома Томсона.

Тема 4.1.2. Модель атома Резерфорда. Експериментальні дослідження структури атомів. Досліди по розсіюванню a-частинок. Ядерна модель атома Резерфорда. Досліди по визначенню потенціалу збудження та іонізації атомів.

Тема 4.1.3. Модель атома Бора. Постулати Бора. Модель атома Бора. Квантові числа. Атом водню і його спектр згідно з теорією Бора. Спектр іона Не+.

Просторове квантування для магнітного моменту атома. Затруднення теорії Бора. Необгрунтованість класичної теорії атома. Досліди Франка і Герца. Дискретність енергетичних рівнів  в атомі. Ізотопний зсув в спектрах водню.

Розділ 2. Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини.

Тема 4.2.1. Корпускулярні властивості світла. Класична і сучасна фізика. Випромінювання абсолютно чорного тіла. Формула Планка. Кванти світла. Енергія та імпульс фотона.

Кванти світла та інтерференція хвиль. Корпускулярна інтерпретація досліду Юнга. Флуктуації інтенсивності світлового потоку. Досліди Вавілова.

Фотоефект. Теорія фотоефекта. Дослід Боте. Ефект Комптона.

Тема 4.2.2. Хвильові властивості речовини. Гіпотеза і формула де Бройля. Дифракція й інтерференція електронів. Співвідношення невизначеностей. Оцінка лінійних розмірів атома водню. Обмеженність механічного детермінізму.

 

Розділ 3. Основи квантової механіки.

Тема 4.3.1. Математичний апарат квантової механіки. Задання стану в квантовій механиці. Хвильова функція. Її статистичний і фізичний зміст. Нормирування Y-функції. Оператори фізичних величин квантової механіки. Власні значення і власні функції оператора. Середнє значення величини. Оператори імпульсу, моменту імпульсу, енергії.

Тема 4.3.2. Рівняння Шредінгера. Загальне рівняння Шредінгера. Принцип причинності в квантовій механиці. Стаціонарні стани. Стаціонарне рівняння Шредінгера.

Тема 4.3.3. Класичні задачі квантової механіки. Частинка в потенційній ямі.

Квантовий гармонічний осцилятор.

Проходження частинки скрізь потенціальний барьєр. Тунельний ефект. Холодна емісія електонів.

Квантування енергії та імпульсу. Кулонівський потенціал. Нульові коливання.

Розділ 4. Фізика атомів та молекул.

Тема 4.4.1. Наближена модель воднеподібного атома в квантовій механіці. Орбітальний момент імпульсу електрона в атомі. Виродження і кратність виродження рівнів. Енергетичні спектри. Потенціали збудження і іонізації. Квантове число електронів в атомі. Просторовий розподіл електрона в атомі водню. Ширина енергетичного рівня. Момент імпульсу в квантовій теорії. Спектр атома водню.

 

Тема 4.4.2. Спін електрона. Досліди Штерна і Герлаха. Спін електрона. Спінове квантове число. Принцип нерозрізненності тотожних частинок. Принцип Паули. Спектри лужних металів. Розподіл електронів в атомі за енергетичними станами. Структура електронних рівнів в складних атомах. Зв’язок Рассела-Саундерса. J-j-зв’язок. Надтонка структура. Періодична система хімічних елементів.

 

Тема 4.4.3. Атом в зовнішньому електричному та магнітному полях. Ефекти Штарка і Зеємана. Резонансні методи дослідження: ядерний магнітний та електронний парамагнитний резонанси. Розщеплення спектральних ліній в зовнішньому магнітному полі.

 

Тема 4.4.4. Рентгенівськи промені. Суцільний рентгенівський спектр і його межа. Характеристичне рентгенівське випромінювання. Закон Мозлі. Спектри поглинання рентгенівських променів. Ефект Оже. Рентгенівська дефектоскопія.

 

Тема 4.4.5. Основні види міжатомного зв¢язку в молекулах. Іонний зв'язок атомів і основи теорії Бора. Ковалентний зв¢язок і поняття про теорію обмінних сил. Розщеплення енергетичних рівнів електронів ізольваних атомів при утворенні молекули. Складові молекулярних спектрів: електронні, коливальні та обертальні спектри. Спектри випромінювання та поглинання.

 

Спонтанне і вимушене поглинання. Квантові підсилювачі та генератори випромінювання.

 

Тема 4.4.6. Фізика твердого тіла. Кристали. Типи кристалічних граток. Теорія вільних електронів у металі.

 

Зонна теорія твердих тіл. Енергія і рівень Фермі. Метали, напівпровідники, діелектрики. Власна і домішкова електропровідність напівпровідників. p-n і n-p-n переходи.

 

Контактна різниця потенціалів. Ефект Хола. Термоемисія. Ефекти Зеєбека і Пельтьє.

 

 

5. Фізика ядра  та  елементарних частинок.

 

 Тема 5.1. Основи ядерної фізики. Склад ядра. Ізотопи. Ядерні сили і їхні властивості. Реакції ділення важких ядер. Керована і некерована ланцюгові реакції ділення.

 

Синтез легких ядер. Некерована реакція синтезу. Проблема КТС.

 

Радіоактивність. a, b і g-розпад. Закон радіоактивного розпаду.

 

Тема 5.1. Елементарні частинки. Класифікація елементарних частинок і види їхньої взаємодії. Проблема елементарних частинок у сучасній фізиці.

 

Тема 5.1. Астрофізика. Утворення зірок і планет. Джерело енергії зірок. Квантово-механічний і тепловий тиск. Еволюція зірки. Чорні діри, білі карлики, червоні гіганти, нейтронні зірки і пульсари.