Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Естественнонаучный факультет

Кафедра физики

Утверждаю

Декан ЕН факультета В.А. Алферов «»2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Дисциплины Введение в физику Направления подготовки: 020000 естественные науки, 090900 информационная безопасность, 120000 геодезия и землеустройство, 130000 геология, разведка полезных ископаемых, 140000 энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника, 150000 металлургия, машиностроение и материалообработка, 160000 авиационная и ракетно-космическая техника, 170000 оружие и системы вооружений, 190000 транспортные средства, 200000 приборостроение и оптотехника, 220000 автоматика и управление, 230000 информатика и вычислительная техника, 240000 химическая и биотехнологии, 260000 технология продовольственных продуктов и потребительских товаров, 270000 строительство и архитектура, 280000 безопасность жизнедеятельности, природообустройство и защита окружающей среды Квалификация выпускника: 62 бакалавр, 63 специалист Форма обучения: очная Тула Рабочая программа составлена доцентом кафедры физики, к.т.н. Якуновой Е.В., обсуждена на заседании кафедры физики естественнонаучного факультета, протокол № от «» мая 2011 г.

Зав. кафедрой физики Д.М.Левин

СОГЛАСОВАНО:

Заведующий кафедрой _ _ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий кафедрой _ _ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий кафедрой _ _ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий кафедрой _ _ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий отделом комплектования научной библиотеки ГОУ ВПО ТулГУ личная подпись расшифровка подписи дата Рабочая программа зарегистрирована под учетным номером _ на правах учебнометодического электронного пособия Инженер УМУ _ О.И.Зайцев личная подпись дата

СОДЕРЖАНИЕ

1 Цели и задачи изучения дисциплины

2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины "введение в физику"

4 Содержание и структура дисциплины "введение в физику"

4.1. Содержание разделов дисциплины

4.2. Распределение часов по семестрам и видам занятий

4.3. Темы, выносимые на лекции

4.4. Лабораторные работы

4.5. Практические занятия

4.6. Курсовые (домашние) задания и самостоятельная работа студента

5. Образовательные технологии

5.1. Интерактивные образовательные технологии, используемые в аудиторных занятиях........... 6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации.......... 7. Порядок проведения текущих и промежуточной аттестаций. Шкалы оценок

8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

8.1. Основная литература

8.2. Дополнительная литература

8.3. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы

8.4. Методические указания к практическим занятиям

1 Цели и задачи изучения дисциплины Целями освоения дисциплины "введение в физику" являются:

- решение задач, которые стоят перед высшей школой на современном этапе развития общества с учетом реального уровня подготовки первокурсников к обучению в техническом вузе;

- устранение проблем адаптационного характера, возникающих у первокурсников при изучении учебных дисциплин естественно-математического цикла, в частности при изучении физики.

Задачами освоения "введение в физику" являются:

1) формирование навыков и умений по рациональной организации умственной деятельности, восприятия и конспектирования теоретического материала;

2) развитие логического мышления и овладение методами решения задач различных разделов физики путем построения математических моделей физических процессов;

3) формирование навыков обработки экспериментальных данных с применением элементов теории ошибок, построения графиков зависимостей физических величин.

2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО Дисциплина "введение в физику" относится к вариативной части учебного цикла - Б2 Математический и естественнонаучный цикл.

Изучение дисциплины "введение в физику" в 1 семестре проводится на базе дисциплины:

"математическая составляющая естественнонаучных дисциплин" и основывается на знаниях основных понятий и методов элементарной математики, математического анализа, аналитической геометрии, теории вероятностей и математической статистики, методов и процессов сбора и обработки информации.

Основные результаты изучения дисциплины "физика" необходимы и могут быть использованы при изучении дисциплин естественнонаучного цикла ("физика", "химия", "теоретическая механика", "экология"), а также базовых и вариативных дисциплин профессионального цикла.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины "введение в физику" Процесс изучения дисциплины "введение в физику" направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО и ООП ВПО по данным направлениям подготовки:

а) общекультурных (ОК):

- владеть культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);

- уметь логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь (ОКбыть способным приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ОК-17);

б) профессиональных (ПК) - быть способным в составе коллектива исполнителей к выполнению теоретических, экспериментальных, вычислительных исследований по научно-техническому обоснованию инновационных технологий (ПК-18);

- быть способным к участию в составе коллектива исполнителей при выполнении лабораторных, стендовых, полигонных, приемо-сдаточных и иных видах испытаний систем и средств (ПК-19);

- владеть умением проводить измерительный эксперимент и оценивать результаты измерений (ПК-20);

В результате освоения дисциплины "введение в физику" обучающийся должен:

• теоретические основы и природу основных физических явлений (ОК-1), (ОК-17), • фундаментальные понятия, законы и теории классической и современной физики(ОК-1), (ОК-17), (ОК-10), (ПК-18), • устройство и принципы работы современной физической научной аппаратуры (ОК-1), (ПК-18), (ПК-20).

• выделять конкретное физическое содержание в прикладных задачах и использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности (ОК-1), (ОКприменять физические законы для решения практических задач (ОК-1), (ОК-10), • методами описания физических явлений и процессов, определяющих принципы работы различных технических устройств (ОК-1), (ОК-2) • методологией организации, планирования, проведения измерений и обработки результатов экспериментальных исследований (ОК-2), (ПК-19), (ПК-20), 4 Содержание и структура дисциплины "введение в физику" 4.1. Содержание разделов дисциплины 1.1. Физика как наука. Общая структура и задачи курса физики.

1.2. Роль измерения в физике. Единицы измерения и системы единиц. Основные единицы СИ. Десятичные множители. Греческий алфавит.

2. Математический аппарат, применяемый в физике.

2.1. Функции. Исследование функций. Графики функций. Правило масштабирования.

2.2. Производные и интегралы.

2.3. Векторы, операции с векторами.

2.4. Векторные функции. Производные векторных функций.

2.5. Математические операторы: grad, div, rot.

3. Обработка экспериментальных данных.

3.1. Вычисления с приближенными числами. Понятие о значащих цифрах результата измерений.

3.2. Абсолютная и относительная погрешность, предельная абсолютная и относительная погрешность. Среднеквадратичное отклонение.

3.3. Погрешности приборов.

4. Физические основы механики. Кинематика и динамика.

4.1. Основные физические абстракции: частица (материальная точка), система частиц, абсолютно твердое тело, сплошная среда.

4.2. Основные понятия кинематики.

4.2.1. Система отчета. Скалярные и векторные физические величины: r, v, a, r, s.

4.2.2. Кинематика материальной точки. Перемещение, скорость, ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорение. О смысле производной и интеграла в приложении к физическим задачам.

4.2.3. Кинематика системы материальных точек на примере абсолютно твердого тела. Поступательное движение. Вращение вокруг неподвижной оси.

4.2.4. Вращательное движение материальной точки. Угловые кинематические переменные и их связь с линейными переменными.

4.2.5. Преобразование скоростей и ускорений при переходе в ускоренно движущиеся системы отсчета. Преобразования Галилея и принцип относительности Галилея. Инварианты преобразования.

4.3. Основные понятия динамики.

4.3.1. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Сила, разновидности сил. Масса.

Импульс материальной точки. Законы динамики (Ньютона) в инерциальных системах. Момент импульса материальной точки и момент силы. Уравнение моментов.

4.3.2. Законы динамики в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции.

4.3.3. Система материальных точек (в т.ч. абсолютно твердое тело). Центр масс. Закон движения центра масс.

4.3.4. Динамика вращательного движения твердого тела. Момент импульса относительно оси. Момент силы относительно оси. Момент инерции.

4.2. Распределение часов по семестрам и видам занятий Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы (72 часа).

Объем часов, отводимых учебным планом на освоение учебно-программного материала, в том числе:

4.3. Темы, выносимые на лекции Учебным планом не предусмотрены.

4.4. Лабораторные работы Учебным планом не предусмотрены.

4.5. Практические занятия 1 и системы единиц. Основные единицы СИ. Десятичные множители. Греческий алфавит.

4: 4.1; 4.2: Основные физические абстракции: частица (материальная точ- 4.2.1 ка), система частиц, абсолютно твердое тело, сплошная среда.

4,5 Основные понятия кинематики. Система отчета. Скалярные и 4: 4.2: 4.2.2 Кинематика материальной точки. Перемещение, скорость, уско- рение. О смысле производной и интеграла в приложении к физирение. О смысле производной и интеграла в приложении к физическим задачам.

4: 4.2: 4.2.3 Кинематика системы материальных точек на примере абсолютно 7 твердого тела. Поступательное движение. Вращение вокруг неподвижной оси.

4: 4.2: 4.2.4 Вращательное движение материальной точки. Угловые кинема- 4: 4.2: 4.2.5 Преобразование скоростей и ускорений при переходе в ускорен- 9, 4: 4.3: 4.3.1 Основные понятия динамики. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Сила, разновидности сил. Масса. Импульс материальной точки. Законы динамики (Ньютона) в инерциальных 4: 4.3: 4.3.2 Законы динамики в неинерциальных системах отсчета. Силы 4: 4.3: 4.3.3 Система материальных точек (в т.ч. абсолютно твердое тело). 4: 4.3: 4.3.4 Динамика вращательного движения твердого тела. Момент им- 15,16 пульса относительно оси. Момент силы относительно оси. Момент инерции. Контрольная работа.

4.6. Курсовые (домашние) задания и самостоятельная работа студента Решение задач по теме " Функции. Исследование функций. Графики функций. Правило масштабирования".

Решение задач по теме "Производная и интегралы" Решение задач по теме "Вектора и операции в векторами. Векторные функции. Производные векторных функций".

Решение задач по теме "Обработка экспериментальных Решение задач по теме "Основные понятия кинематики" 18 8.2.2., 8.4.1., Решение задач по теме "Основные понятия динамики" 18 8.2.2., 8.4.1., 5. Образовательные технологии Применение современных образовательных технологий при преподавании дисциплины "введение в физику" нацелено на многогранное развитие личности и освоение комплекса знаний, умений, навыков и развивается по следующим направлениям.

1. Усиление фундаментальной подготовки, дающей обучаемому студенту умение выделить в конкретном предмете базисную инвариантную часть его содержания, которую после самостоятельного осмысления он сможет использовать на новом уровне, при изучении других дисциплин, при самообразовании.

2. Усиление межпредметных связей, формирование системного подхода к обучению за счет блочной структуры дисциплины и включение в аттестационные материалы вопросов и заданий, имеющих междисциплинарный характер.

3. Выделения из базиса дисциплины "введение в физику" ее понятийной базы - тезауруса, в котором представлены основные смысловые единицы, систематизированные по элементам научного знания и по разделам курса в виде перечней, отражающих вехи его содержания.

Смысловые единицы включают:

• понятия-явления, свойства, модели, величины;

• приборы и устройства;

• классические опыты.

Особо выделен математический аппарат, необходимый для описания механизмов протекания явлений.

4. Введен рейтинговый контроль при модульном обучении 5. Интенсификация обучения, понимаемая как большего объема учебной информации обучаемым при неизменной продолжительности обучения без снижения требований к качеству знаний.

Повышение темпов обучения достигается путем совершенствования:

• содержания учебного материала;

• методов обучения.

При этом совершенствование содержания предполагает:

• рациональный отбор учебного материала с четким выделением в нем основной базовой части и дополнительной, второстепенной информации; соответствующим образом должна быть выделена основная и дополнительная литература;

• перераспределение по времени учебного материала с тенденцией изложения нового учебного материала в начале занятия, когда восприятие обучаемых студентов более активно;

• концентрацию аудиторных занятий на начальном этапе освоения курса с целью наработки задела знаний, необходимых для плодотворной самостоятельной работы;

• рациональную дозировку учебного материала для многоуровневой проработки новой информации с учетом того, что процесс познания развивается не по линейному, а по спиральному принципу;

• обеспечение логической преемственности новой и уже усвоенной информации, активное использование нового материала для повторения и более глубокого усвоения пройденного;

• экономичное и оптимальное использование каждой минуты учебного времени.

6. Совершенствование методов обучения, основанное на следующих факторах:

• широкое использование коллективных форм познавательной деятельности (индивидуальная и групповая работа и др.);

• выработка у преподавателя соответствующих навыков организации управления коллективной учебной деятельностью студентов;

• применение различных форм и элементов проблемного обучения;

• совершенствование навыков педагогического общения, мобилизующих творческое мышление студентов;

• индивидуализации обучения при работе в студенческой группе и учет личностных характеристик при разработке индивидуальных заданий и выборе форм общения;

• стремление к результативности обучения и равномерному продвижению всех обучаемых в процессе познания независимо от исходного уровня их знаний и индивидуальных способностей;

• знание и использование новейших научных данных в области социальной и педагогической психологии;

• применение современных аудиовизуальных средств, технических и информационных средств обучения.

5.1. Интерактивные образовательные технологии, используемые в аудиторных занятиях Семестр Вид Используемые интерактивные образовательные технологии Количество 6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной Ниже приведены образцы заданий для проведения текущего контроля и промежуточных аттестаций. Общий объем банка задач по физике составляет более 1000 тестовых заданий для всех видов аттестации Кинематика частицы.

1. Частица движется по закону r (t) = i At + j (Bt Ct ) + kE, где А = 50 м/с, В = 200 м/с, С = 25 м/с 2, Е = 100 м. Найти угол между векторами скорости и ускорения частицы в момент времени t = 3 c. Получить уравнение траектории частицы и указать положение частицы на траектории в момент времени t = 3 c.

2. В начальный момент t = 0 частица находилась в начале координат и имела начальную скорость v 0 = j v 0, где v0 = 2,5 м/с. Далее частица двигалась с ускорением a = i At + j B, где А = 3 м/с 3, В = 1 м/с 2. На каком удалении от начала координат окажется частица в момент времени t = 2 c ?

Кинематика: движение с постоянным ускорением.

3. Маленькая лягушка находится на расстоянии l = 1 м от стенки и прыгает с начальной скоростью v 0 = 4 м/с. Стенку какой наибольшей высоты может перепрыгнуть лягушка? Принять g = 10 м/с 2.

Произвольное поступательное движение*.

4**. Автобус движется прямолинейно от остановки А до следующей остановки В с ускорением a = c – bs, где с = 1 м / c 2, b = 0,01 c -2. а s – расстояние от остановки А. Найти расстояние sAB между остановками и максимальную скорость автобуса.

Кинематика криволинейного движения.

5. Кузнечик прыгает с некоторой начальной скоростью под углом = 60 к горизонту. Определить радиус кривизны его траектории сразу после прыжка, если в верхней точке траектория имеет радиус кривизны R = 40 см.

6.** Частица, движущаяся с небольшой скоростью v0 по окружности радиуса R, начинает ускоряться так, что величина её тангенциального ускорения равна величине нормального ускорения. Найти зависимости скорости частицы от пройденного пути и от времени.

Кинематика вращательного движения.

Колесо начинает вращаться вокруг своей оси с угловым ускорением = = 4 рад / c 2. Через какой промежуток времени угол между вектором скорости и вектором ускорения точки на ободе колеса станет равным = 45 ?

8. Равнозамедленно вращающийся шкив повернулся на угол = 4 рад к тому моменту, когда его угловая скорость уменьшилась в три раза. Найти величину углового ускорения шкива. Его начальная скорость 0 = 6 рад/ с.

Связь линейных и угловых переменных при вращательном движении.

9. Покоившееся колесо начинает вращаться равноускоренно вокруг своей оси, и за время t = 2,5 c его угловая скорость достигает величины = 0,3 рад/c, а ускорение точки на ободе колеса становится равным a = 0,06 м / с 2. Найти радиус колеса?

10. Колесо радиуса R катится без скольжения по горизонтальной плоскости с постоянной скоростью v. В начальный момент времени t0 = точка А на ободе колеса соприкасалась с плоскостью. Найти скорость точки А в моменты времени: а) t = = t0 = 0 ; б) t = R/v ; в) t = R/(2v) ; г) t= R/(3v).

11. Какой путь пройдёт точка А к моменту t = R/v в условиях предыдущей задачи и на какое расстояние она переместится?

1. На вершине неподвижной призмы с углами =300 и = установлен невесомый шкив, который может вращаться без трения.

Через него перекинута нить, к концам которой прикреплены грузы с массами m 1 = m 2 = m = 1 кг. Коэффициенты трения грузов о плоскости призмы µ 1 = µ 2 = µ = 0,2. Найти ускорение грузов и силу натяжения нити.

2. Полиспаст (устройство для подъёма грузов) состоит из N = 6 невесомых блоков, через который перекинут невесомый шнур, один конец А которого прикреплён к потолку, а к другому концу В подвешен груз массы m = 60 кг. К подвижным блокам полиспаста подвешен груз массы М = =300 кг. Найти величину и направление ускорения груза M.

3*. Коэффициент трения тела о наклонную плоскость, образующую угол плоскости величина силы трения тела о плоскость не изменится?

4**. Через невесомый блок перекинут невесомый шнур, к концу которого привязан человек массы m = 60 кг. С какой силой человек должен тянуть за другой конец шнура, чтобы подниматься вверх?

Неинерциальные системы отсчёта. Силы инерции.

6. Модель самолёта в аттракционе вращается с частотой = 30 оборотов в минуту в вертикальной плоскости, совершая “мёртвую петлю“ с радиусом R = 5 м. Во сколько раз сила, прижимающая человека к сиденью самолёта в нижней точке, больше такой же силы в верхней точке?

Законы Ньютона в общей форме. Реактивное движение.

7. За минуту из крана, находящегося на высоте h = 40 cм над ванной, с начальной скоростью v 0 = 1 м/с вытекает 3 литра воды. С какой силой струя воды давит на дно ванной? Принять g = 10 м/с 2.

8. Ракета массы m 0 c поперечным сечением S летит с постоянной скоростью v в облаке неподвижно висящей пыли. Масса каждой пылинки m 1, концентрация пыли n. Пыль сталкивается с ракетой абсолютно неупруго. Найти силу тяги, развиваемую двигателем ракеты.

9. Найти мощность двигателя вертолёта, неподвижно зависшего в воздухе. Масса вертолёта P = (mg) 3 ( R 2 ) = 483 кВт.

10. Найти потенциальную энергию и высоту центра масс вертикального столба высоты Н = 9 м с сечением S = 40 см 2, если плотность материала столба меняется с 11. На краю неподвижной тележки массы М = 320 кг и длины l = 12 м стоял человек массы m = 80 кг. На какое расстояние переместится тележка, если человек перейдёт на её противоположный край? Трением тележки о горизонтальную поверхность пренебречь.

пластинки со стороной b и массой m относительно оси, проходящей через вершину пластинки перпендикулярно её плоскости.

13. Найти момент инерции тонкого кольца (или тонкого сплошного диска) массы m и радиуса R относительно оси, совпадающей с его диаметром.

Уравнение динамики вращательного движения вокруг закреплённой 14. Нить, намотанная на цилиндр, прикреплена к потолку. Найти ускорение падения такого цилиндра под действием силы тяжести.

цилиндрический блок массы m, способный вращаться вокруг горизонтальной закреплённой оси симметрии. К концам нити вертикальной закреплённой оси тонкий стержень массы m = 200 г и длины l = 80 см, лежащий на горизонтальной плоскости. Ось проходит через середину стержня, и в оси вращения возникает постоянный момент сил трения M тр= 0,15 H. м. Повернувшись на угол = 8 рад, стержень 18. На гладкой горизонтальной плоскости лежит однородный диск радиуса R. На него осторожно положили другой такой же диск, раскрученный до угловой скорости 0. Коэффициент трения между дисками равен µ. Через какой промежуток времени t диски начнут вращаться c одной и той же угловой скоростью?

20. Массивный волчок массы m с моментом инерции I относительно оси симметрии раскручен до угловой скорости и поставлен на опору под углом к вертикали. Найти горизонтальную составляющую силы реакции в точке опоры, если волчок не проскальзывает. Расстояние от точки опоры О до центра масс С равно l.

Законы сохранения момента импульса и энергии при вращательном 21. В центре горизонтального диска массы m 1 и радиуса R, вращающегося без трения вокруг закреплённой вертикальной оси симметрии с угловой скоростью 0, сидит жук массы m 2.

Какое тепло выделится, если жук: а) переползёт на край диска, б) перепрыгнет на край диска?

на обод диска. После этого диск начал вращаться с угловой скоростью массы M и радиуса R сидит жук массы m. C какой угловой скоростью начнёт вращаться диск, если жук поползёт по окружности радиуса r с постоянной скоростью v относительно диска? Трением в оси диска пренебречь.

25. Подпиленный у основания тонкий вертикальный столб высоты h = =15 м падает на землю. Чему равна скорость верхней точки столба в момент удара о землю? Ответ: v = 3gh = 21м/с.

26. По горизонтальной поверхности катятся с одинаковыми скоростями v 0 = 1 м/с цилиндр и шар с одинаковыми массами и радиусами. Они скатываются без скольжения со склона высоты h = 21 cм. Во сколько раз скорость шара после скатывания будет больше скорости цилиндра?

27. В нижний конец подвешенного к потолку неподвижно висящего тонкого стержня массы М и длины L врезается и застревает в нём пуля массы m,