Общая физика – подготовка к экзаменам и зачётам

В ВУЗе изучается общая физика, имеющая разделы, аналогичные разделам физики школьной программы. Отличие заключается в более углублённом изучении предмета, применении математического аппарата высшей школы, без которого нельзя объяснить физические процессы на школьном уровне.

Основные разделы общей физики:

Механика

Трудностей в изучении этого раздела нет. В отличие от школьной программы в кинематике рассматривается движение точки по любой криволинейной траектории. Вводятся понятия нормального и тангенциального ускорений, а также радиуса кривизны траектории.

В кинематике вращения твёрдого тела вокруг неподвижной оси рассматривается любой закон изменения угла и, в частности, с постоянным угловым ускорением, чтобы привести аналогию с изменением пути при движении с постоянным линейным ускорением.

В динамике, в дополнение школьной программы, даётся новое понятие полной энергии системы материальных точек, обосновываются границы применимости законов классической механики, вводятся понятия момента инерции вращающегося тела, количества движения вращающегося тела; закон сохранения момента количества движения.

Для движущейся жидкости выводится уравнение Бернулли – закон сохранения энергии несжимаемой идеальной жидкости.

В статике уравнения равновесия твёрдого тела рассматриваются не в плоскости, а в пространстве, что требует аккуратности и внимательности при составлении уравнений равновесия.

Молекулярная физика. Газы. Термодинамика

Этот раздел повторяет школьную программу, но более доказательно даёт обоснование правомерности применения средних значений физических величин (давления, плотности, скорости молекул и т.д.) для систем, состоящих из большого числа молекул. Для этого используют методы статистической физики, распределение Максвелла.

Большое место уделено явлению переноса в газах с точки зрения диффузии. Вводятся непростые понятия: средняя длина свободного пробега молекулы; коэффициент диффузии; коэффициент вязкости газа; коэффициент теплопроводности газа. Выводятся важные законы: диффузии, внутреннего трения, теплопроводности.

Изучаются реальные газы, которые не подчиняются законам Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Для установления закономерностей учитываются размеры молекул газа и сложный характер их взаимодействия, что приводит к уравнению Ван-дер-Ваальса. Объясняется эффект Джоуля-Томпсона в зависимости от поправок в уравнении Ван-дер-Ваальса.

Более основательно, чем в школьной программе, даётся вывод первого закона термодинамики. Вводятся понятия молярной теплоёмкости при постоянном объёме и постоянном давлении, соотношение между ними – формула Майера. Выводятся формулы теплоёмкости для многоатомных газов. Для адиабатического процесса выводится уравнение адиабаты, вычисляется показатель адиабаты для одноатомного, двухатомного и многоатомного газов.

При выводе второго закона термодинамики даются непростые понятия: термодинамическая вероятность данного макросостояния системы, статистическая вероятность состояния системы, энтропия системы. Объясняются границы применимости второго начала термодинамики. На основании второго закона термодинамики доказывается использование цикла Карно в тепловых двигателях.

Молекулярная физика. Жидкости. Твёрдые тела

Строение жидкости качественно отличается от строения газа, что объясняет малые значения коэффициента изотермической сжимаемости и термического коэффициента расширения жидкости.

Подробно изучаются:

Физические процессы испарения и кипения жидкости, зависимости полной скрытой теплоты испарения от температуры.
Физика поверхностного натяжения жидкости, зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры.
Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от примесей, растворённых в жидкости.
Капиллярные явления; выводится формула Лапласа для дополнительного давления под сферической поверхностью жидкости; формулы высоты подъёма (опускания) жидкости в капилляре.
Физика явления переноса в жидкости; связь коэффициента диффузии и коэффициента вязкости жидкости; выводится формула для силы сопротивления движению шара в жидкости при малых скоростях (формула Стокса).

Строение твёрдого тела качественно отличается от строения жидкости, что обусловлено различием в их молекулярном строении и в характере теплового движения молекул. Важной особенность для одного и того же твёрдого тела является то, что оно может принимать аморфное или кристаллическое состояние, в зависимости от условия перехода в жидкое состояние. Аморфное тело так же, как и жидкость, изотропно, кристаллическое – анизотропно.

Подробно изучаются:

Типы кристаллических решёток.
Физика механических свойств твёрдых тел: закон Гука; зависимость модуля Юнга от направления деформации; пределы упругости и прочности.
Физика теплового движения в твёрдых телах: закон Дюлонга и Пти; зависимость теплоёмкости твёрдого тела от температуры.
Абсорбция и адсорбция газов твёрдыми телами.

Электричество

Изучение этого раздела начинается со Статики. Вводятся понятия: электрический заряд, электрическое поле, закон Кулона, напряжённость электрического поля, электрический диполь, вектор электростатической индукции. Все эти понятия простые для понимания. Трудности здесь могут возникать при расчёте статических электрических полей с применением теоремы Гаусса.

Потенциал электростатического поля, градиент потенциалов, разность потенциалов – также просты для понимания. Трудности для понимания могут представлять: электростатические поля внутри и на поверхности проводника и диэлектрика, электрическое поле в неоднородной среде и на границе раздела диэлектрика.

Электрическая ёмкость проводников, электроёмкость конденсатора, энергия электрического поля также не представляют трудностей для понимания. Несколько сложен вопрос изучения устойчивости неподвижных электрических зарядов.

При изучении постоянного электрического тока, закона Ома, законов Кирхгофа для разветвлённой электрической цепи, мощности электрического тока, теплового действия тока (закон Джоуля-Ленца) не возникает трудностей для понимания.

Изучение электромагнетизма начинается с темы – магнитное поле токов. Вводится много непростых понятий и законов: вектор магнитной индукции, вектор напряженности магнитного поля, циркуляция вектора напряжённости магнитного поля, закон Био-Савара-Лапласа, закон Ампера, закон полного тока, закон Ома для магнитной цепи. Трудности здесь могут представлять: расчёт напряжённости магнитного поля, создаваемой проводниками с токами различной конфигурации; расчёт магнитных цепей, содержащих элементы с различными сечениями и магнитными проницаемостями.

При изучении движения заряженных частиц в электромагнитном поле такое понятие, как сила Лоренца и её направление, не представляет трудностей для понимание. Здесь надо понять, как устроены и работают приборы: электронно-лучевая трубка, циклотрон, масс-спектрограф, электронный микроскоп.

При изучении электромагнитной индукции могут возникать трудности. Не проста для понимания причина возникновения индукционного тока, независимость ЭДС индукции от природы изменения магнитного потока. Нужно понять, как работает на основании этого закона электродвигатель, трансформатор. Очень важное понятие – самоиндукция; любой контур характеризуется индуктивностью, по причине которой ток в контуре при подключении к нему ЭДС не может восстановиться сразу в соответствие с законом Ома.

При изучении магнитного поля в веществе не просто понять природу магнитных свойств тел. Понятия: диамагнетизм, парамагнетизм, магнитная восприимчивость, вектор намагничения, кривая намагничения, коэрцитивная сила, петля гистерезиса – непросты для понимания. Трудность здесь может представлять нахождение индукции полного магнитного поля в телах различной конфигурации.

Колебания и волны.

При рассмотрении гармонических механических колебаний сложностей теоретического характера нет. Некоторые трудности могут возникать при изучении затухающих и вынужденных колебаний, при расчёте амплитуды колебаний и сдвига фазы.

При изучении волн вводятся важные, но не сложные понятия: уравнение луча; скорость распространения волн в газах, жидкостях и твёрдых телах; эффект Доплера; интерференция волн; стоячие волны.

Трудности могут возникнуть при изучении дифракции волн, понятия принципа Гюйгенса, преломления плоской волны на границе раздела двух сред с различными скоростями распространения.

При изучении звуковых волн важно понять природу звука, связь физических параметров звуковых волн с физиологическим восприятием звука. Здесь важны понятия: высота звука, громкость звука, уровень силы звука. Нужно знать, как они соотносятся с физическими характеристиками.

При изучении гармонических электрических колебаний в колебательном контуре трудностей теоретического характера нет. Здесь надо обратить внимание на характер колебательного процесса при наличии в контуре затухания: уменьшение амплитуды тока по показательному закону; уменьшение частоты колебания; изменение сдвига фаз между током и зарядом; при большом сопротивлении контура колебание становится апериодическим. При резонансных процессах в контуре важна зависимость величины резонансного тока от сопротивления и ширины полосы частот, при которой возникает резонанс.

Некоторые трудности могут возникать при изучении электромагнитных волн: физической природы возникновения вихревого электрического и вихревого магнитного полей; распространения свободного (не связанного с зарядами и токами) электромагнитного поля (поля излучения) и его скорости в вакууме и других веществах; обоснования формулы Пойнтинга для вектора плотности потока энергии электромагнитного поля излучения.

Оптика

Раздел «Оптика» начинается с простых законов и определений, не представляющих трудностей для понимания: закона прямолинейного распределения света, закона независимости световых лучей, закона отражения света, закона преломления света. Рассматриваются понятия: принцип Гюйгенса, принцип Ферма, электромагнитная природа света, корпускулярно-волновой дуализм. Вводятся элементы фотометрии: световой поток, сила света, светимость, яркость и их единицы. Важными понятиями здесь являются – дисперсия света, фазовая и групповая скорость.

Геометрическая оптика также не представляет трудностей для изучения. Здесь надо уметь строить изображения предметов в оптических системах, правильно пользоваться формулой линзы, формулами углового и поперечного увеличения линзы. Важно знать погрешности оптических систем: сферической аберрации, комы, дисторсии, астигматизма, хроматической аберрации. Необходимо знать устройство основных оптических систем: лупы, глаза, микроскопа, зрительной трубы.

При изучении интерференции света нет трудностей для понимания. Необходимо знать основные методы наблюдения интерференции света: опыт Юнга, зеркала Френеля, бипризма Френеля, в тонких пластинках, клин переменной толщины, кольца Ньютона. Также нужно находить соотношения для максимумов и минимумов интерференционной картины; знать принцип работы интерферометров – Жамена и Майкельсона.

Дифракция света также не представляет трудности для понимания. Здесь важно понять принцип Гюйгенса-Френеля, графический метод сложения колебаний, метод зон Френеля. Необходимо знать дифракционные картины от: круглого сечения, круглого непрозрачного экрана, прямолинейного края полуплоскости, одной щели, круглого отверстия. При рассматривании спектра, создаваемого дифракционной решёткой, надо уметь находить углы максимума и минимума освещённости зон, знать характеристики дифракционной решётки – угловую дисперсию и разрешающую силу.

При изучении поляризации света могут возникать трудности теоретического характера. Здесь важно понять физический смысл взаимодействия электромагнитной волны с диэлектриком, что такое естественный луч света и поляризованный луч; физику двойного лучепреломления; физику отражения и преломления поляризованного луча от поверхности диэлектрика, смысл закона Брюстера. Необходимо знать устройства поляризационных приборов: призмы Николя, поляризационного микроскопа. Знать применение свойств поляризационного света в технике.

Нетрудная для понимания тема «Рассеяние и поглощение света». При рассеянии света в газах и жидкостях надо различать основные три случая: геометрическое рассеяние, рассеяние по закону Рэлея и дифракционное рассеяние. Необходимо знать, какой из этих случаев объясняет цвета атмосферы при рассеянии солнечного цвета. При поглощении света действует закон Бугера-Ламберта, но здесь следует иметь в виду, что коэффициенты поглощения и рассеяния зависят от длины волны света, то есть закон справедлив лишь для монохроматического излучения. Для понимания физиологического восприятия цвета необходимо знать: устройство глаза человека; излучающую и поглощающую способность тел и в каких спектрах это происходит; получение одного и того же цветового ощущения различными вариантами смешения разных трёх основных цветов.

Трудностей для понимания при изучении теплового излучения тел нет. Вначале вводятся основные понятия: абсолютно белое тело, абсолютно чёрное тело и серое тело; лучеиспускательная и поглощательная способность тела. Даются важные законы: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Необходимо понять, что вывод формулы Планка возможен только при введении другой характеристики электромагнитного излучения – кванта излучения. Надо знать назначение и принцип действия приборов – радиационного и оптического пирометров, работа которых основана на законе Стефана-Больцмана или Вина.

При изучении фотоэлектрического эффекта и уравнения Эйнштейна трудностей не возникает. Здесь главные понятия: энергия фотона, запирающее напряжение, красная граница фотоэффекта. Необходимо чётко знать три основных вида фотоэффекта – внешний, внутренний и вентильный. Также важно знать различные типы фотоэлементов: вакуумные, газонаполненные, с «запирающим слоем»; фотоэлектронный умножитель. При рассеянии рентгеновских лучей в веществе нужно понять физику комптоновской длины волны, появлении «комбинированных» частот в спектре комбинационного рассеяния.

Несложная тема «Взаимодействие излучения с веществом» не может вызвать затруднений в понимании. Теоретически рассчитывается сила давления света, что согласуется с опытами Лебедева. Другое важное проявление взаимодействия света с веществом – люминесценция. Необходимо понимать физику хемилюминесценции, электролюминесценции и фотолюминесценции, при которой надо различать флуоресценцию и фосфоресценцию. Надо знать применение люминесценции в исследованиях для обнаружения малых количеств примесей в различных веществах, фотохимических процессах, в частности, в фотографии.

При изучении непростой темы «Распространение света в движущихся телах» применяются элементы теории относительности. Здесь важно понять: смысл преобразований Лоренца и (на основе их) нахождение скорости точки в системе координат, относительно которой движется другая система координат, в которой данная точка движется; объяснение звёздной аберрации с точки зрения корпускулярной и волновой теории распространения света; результаты эффекта Доплера при разных направлениях движения источника света и наблюдателя и опыт Физо, которые подтверждают теорию относительности.

Физика атомов и молекул

Раздел «Физика атомов и молекул» достаточно труден для изучения. Простые постулаты Бора для строения атома подтверждались экспериментами, но не могли объяснить дискретности возможных значений энергии атома. После открытия волн де-Бройля стало ясно, что описать состояния (характеристики) электрона можно только вероятностно. Здесь чётко надо представлять, что такое волновая функция частицы (электрона, фотона); волновой пакет; соотношение неопределенностей Гейзенберга; плотность вероятности обнаружения электрона; условие нормировки волновой функции. Особую трудность представляет нахождение волновой функции для различных динамических переменных, нахождение для них своих операторов с помощью уравнения Шрёдингера. Необходимо знать основные примеры решения уравнения Шрёдингера: электрон «в ящике», ротатор, осциллятор.

При рассмотрении физики водородоподобного атома важно понять: движение электрона – это сложный волновой процесс, представляющий пространственное движение электронов в поле ядра. Из решения уравнений Шрёдингера следует: дискретный ряд возможных радиусов орбит и энергий электрона; электрон, находясь на разрешённой орбите, не излучает и создаёт в пространстве постоянное магнитное поле; волновая функция и энергия электрона в поле ядра зависят от трёх квантовых чисел.

При изучении спектров испускания и поглощения водорода и щелочных металлов необходимо понимать: наличие нескольких серий спектральных линий водорода; как наличие спина электрона объясняет образование дуплетов в спектре щелочных металлов.

Спектры многоэлектронных атомов усложняются. Здесь надо знать: принцип Паули для четырёх квантовых чисел электронов в атоме; правило отбора для возможных переходов электрона, понятие запрещённого перехода; условия возникновения линейчатых рентгеновских спектров; закон Мозли.

Необходимо знать принцип работы и устройства лазера. Чётко понимать: различие спонтанного и индуцированного излучений; равенство вероятностей спонтанного излучения и индуцированного испускания; что направление вектора импульса фотона индуцированного излучения такое же, что и фотона, вызвавшего его появление и что они когерентны.

При образовании молекул, которые состоят из атомов, происходит сближение атомов, электронные облака атомов перекрываются и они деформируются. Расчет изменения состояний системы атомов требует решения волнового уравнения Шрёдингера, что представляет большую сложность. Важно рассмотреть физику явления качественно, знать понятия: смешанная плотность заряда; обменная энергия; насыщение по спину; ковалентная и ионная химические связи; нелокализированная связь; поляризационные силы. Молекула представляет собой квантовую систему с большим числом степеней свободы и дискретными уровнями энергии, и поэтому имеет сложный спектр поглощения и испускания. При соединении атомов молекулы и кристаллы происходит дополнительное расщепление энергетических уровней, образуются энергетические зоны. Расположение зон зависит от типа кристаллической решётки, что определяет различные свойства кристалла, состоящего из одних и тех же атомов, например, графит и алмаз.

Физика атомного ядра и микрочастиц

Тема «Физика атомного ядра и микрочастиц» начинается с изучения радиоактивности. Необходимо знать: законы радиоактивных превращений; туннельный эффект; взаимодействие с веществом гамма-лучей; доза облучения; устройство и принцип действия приборов: сцинтилляционный счётчик, ионизационная камера, пропорциональный счётчик, счётчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера Глейзера, толстослойная фотоэмульсия, черенковский счётчик.

При изучении строения и превращения атомных ядер необходимо знать: состав атомных ядер; физику бета-распада; открытие нейтрино и антинейтрино; основные реакции распада; модели ядра; устойчивость ядер; устройство и принцип действия ускорителей частиц: электростатического генератора Ван де Граафа, линейного каскадного ускорителя, циклотрона, синхротрона, фазотрона, синхрофазотрона, коллайдера.

Основные два типа ядерных превращений для получения энергии – синтез ядер из более легких и деление тяжёлых ядер. Необходимо знать: управляемую и неуправляемую ядерные реакции; устройство и типы ядерных реакторов (гетерогенные и гомогенные); использование меченых атомов в различных областях; термоядерную реакцию.

При рассмотрении микрочастиц необходимо знать: взаимодействия (в отличие от гравитационного, электромагнитного и ядерного), в которых принимает участие нейтрино; понятие о частицах и античастицах; реакции превращения микрочастиц; основные типы микрочастиц; основные величины, с помощью которых систематизируют микрочастицы.