[ МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Иркутский государственный университет»
(ФГБОУ ВПО «ИГУ»)
Физический факультет
Кафедра общей физики
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Молекулярная физика
Код дисциплины по учебному плану Б3.Б.1.2 Для студентов по направлению 011200.62 - «Физика»
Иркутск 2011
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
1.1. Обеспечиваемые компетенции Способность использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1), способность применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК-2), способность использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-4), способность овладеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12), способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности навыки работы с информацией из различных источников (ОК-16), способность применить основные методы защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-18), способность понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ОК-21).1.2. Цель Повышение уровня образования бакалавров, расширение мировоззрения и подготовка к восприятию современной науки.
1.3. Задачи В классических университетах он традиционно читается после механики, законы которой сформулированы в духе классического детерминизма. В связи с этим представляется необходимым, прежде всего, дать понятие больших молекулярных систем, статистических ансамблей и показать вероятностный характер их поведения. Особенности поведения и сложность в описании состояния молекулярных систем приводят к необходимости использования различных подходов: динамического, статистического и термодинамического.
Изучение статистических закономерностей требует включения в курс элементарных математических представлений о вероятности, различных способах ее расчета, понятий математического ожидания и дисперсии, функций распределения.
Законы термодинамики рассматриваются расширенно, особое внимание уделяется статистическому обоснованию законов, понятиям энтропии, термодинамической температуры, функциям состояния системы. Вводятся основные парадоксы и новые подходы к исследованию поведения больших систем.
Рассмотрение после идеальных газов, реальных систем и фазовых переходов позволяет дать представление об изучении реальных процессов в реальных веществах и усложнении математического описания. В этом плане молекулярная физика является как бы основой для восприятия последующих разделов физики.
Кроме того даются базовые понятия об уравнениях переноса, фазовых переходах, методах исследования молекулярных систем.
1.4. Место дисциплины в процессе подготовки бакалавра Курс «Молекулярная физика» – часть курса общей физики, являющегося основным в общей системе современной подготовки бакалавров – физиков. В классических университетах он читается после механики и позволяет создать базу для изучения последующих разделов общей и теоретической физики 2. Распределение часов по темам и видам работ для студентов очного отделения общая трудоемкость дисциплины – 6,0 зач. ед., 218- часов № Темы, разделы Всего Аудиторные занятия Самостоятельная часов работа Лекции Практи Лабор. СРС КСР Вид ческие работы КСР занятия 1 Динамический, 7 2 0 0 термодинамический и статистический подходы к изучению молекулярных систем.
2 Статистический подход 16 2 0 8 молекулярных явлений статистической теории законы распределения случайных величин кинетической теории Молекулярной физике
3. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
3.1. Общее (по всем темам) № Название разделов (тем) Краткое содержание раздела (темы) термодинамический и молекулярной физики.статистический подходы к Динамический, термодинамический и изучению молекулярных систем. статистический подходы к изучению 2 Статистический подход к Статистический ансамбль, понятие описанию молекулярных явлений среднего по времени и среднего по 3 Элементы статистической теории Модель идеального газа. Плотность идеальных газов и законы вероятности и функция распределения распределения случайных непрерывной случайной величины.
4 Процессы переноса Вид процесса переноса в газах теплопроводность.
5 Основы молекулярно- Среднее значение кинетической кинетической теории газов энергии, основное уравнение 6 Распределения в Молекулярной Распределение молекул по 7 Первое начало термодинамики Основные законы термодинамики и их 8 Классические теория Удельная теплоемкость идеального теплоемкости газа. Термодинамическая температура.
9 Циклические процессы в газах Уравнение Пуассона для адиабатного 10 Второе и третье начала Второе и третье начала термодинамики термодинамики. Термодинамический 11 Фазовые переходы I и II рода. Термодинамические потенциалы 12 Реальные газы и жидкости Переход вещества из газообразного 3.2. Темы семинарских занятий 1. Элементы статистической теории идеальных газов и законы распределения случайных 2. Основы молекулярно- кинетической теории газов 3. Распределения в Молекулярной физике 4. Первое начало термодинамики 5. Циклические процессы в газах 6. Второе и третье начала термодинамики 7. Реальные газы и жидкости Вопросы к коллоквиуму 1. Объекты исследования, цели, методы молекулярной физики.
2. Динамический, термодинамический и статистический подходы к изучению молекулярных систем.
3. Статистический ансамбль, понятие среднего по времени и среднего по ансамблю.
4. Эргодическая гипотеза и постулат равновероятности 5. Понятия теории вероятности: случайные события, определение вероятности (классическое, геометрическое, статистическое).
6. Теоремы сложения и умножения вероятностей, условная вероятность, нормировка вероятности.
7. Плотность вероятности и функция распределения непрерывной случайной величины.
8. Распределение молекул газа по объему. Вероятность обнаружения молекулы газа в выделенном объеме, если плотность вероятности постоянна. (показать, что вероятность сводится к соотношению объемов) 9. Математическое ожидание, дисперсия. Условие нормировки вероятности.
10. Понятие макро- и микросостояния, принцип равновероятности микросостояний, термодинамическое равновесие, приближение к равновесию.
11. Понятие идеального газа, теорема о равнораспределении энергии 12. Нормальное распределение случайной величины (распределение Гаусса).
13. Биномиальное распределение случайных величин.
14. Понятие флуктуации, среднее число частиц, зависимость флуктуаций от числа частиц 15. Среднее значение кинетической энергии, основное уравнение молекулярнокинетической теории газов.
16. Удельная теплоемкость идеального газа. Термодинамическая температура. Принцип детального равновесия.
17. Распределение молекул по компонентам скорости и модулю скорости (распределение Максвелла) 18. Распределение Максвелла по энергии. Характерные скорости и энергии распределения.
19. Идеальный газ во внешнем потенциальном поле (распределение Больцмана).
20. Барометрическая формула.
21. Смесь газов в сосуде – распределение по концентрации.
22. Подъемная сила летательных аппаратов с открытой и закрытой оболочками.
23. Число степеней свободы молекул, теорема о распределении энергии по степеням 3.3.Тематика заданий для самостоятельной работы 1. Агрегатные состояния вещества. Основные признаки 2. Термодинамическая температура 3. Эмпирические шкалы температур 4. Элементы комбинаторики 5. Теоремы сложения и умножения вероятностей, условная вероятность.
6. Дискретные случайные величины, закон распределения дискретных случайных величин. Математическое ожидание и дисперсия 7. Понятие флуктуации, среднее число частиц, зависимость флуктуаций от числа частиц 8. Экспериментальная проверка распределения Максвелла 9. Опыты Перрена 10. Атмосферы планет 11. Определение длины свободного пробега молекул 12. Броуновское движение 13. Демон Максвелла 14. Поверхностное натяжение. Капиллярные явления 15. Термоэлектрические явления.
16. Ламинарное и турбулентное течение. Число Рейнольдса.
17. Диаграмма состояния трехфазной системы. Тройная точка.
3.4. Примерный список вопросов к экзамену 1. Объекты исследования, цели, методы молекулярной физики.
2. Динамический, термодинамический и статистический подходы к изучению молекулярных систем.
3. Статистический ансамбль, понятие среднего по времени и среднего по ансамблю.
4. Эргодическая гипотеза и постулат равновероятности 5. Понятия теории вероятности: случайные события, определение вероятности (классическое, геометрическое, статистическое).
6. Теоремы сложения и умножения вероятностей, условная вероятность, нормировка вероятности.
7. Плотность вероятности и функция распределения непрерывной случайной величины.
8. Распределение молекул газа по объему. Вероятность обнаружения молекулы газа в выделенном объеме, если плотность вероятности постоянна. (показать, что вероятность сводится к соотношению объемов) 9. Математическое ожидание, дисперсия. Условие нормировки вероятности.
10. Понятие макро- и микросостояния, принцип равновероятности микросостояний, термодинамическое равновесие, приближение к равновесию.
11. Понятие идеального газа, теорема о равнораспределении энергии 12. Нормальное распределение случайной величины (распределение Гаусса).
13. Биномиальное распределение случайных величин.
14. Понятие флуктуации, среднее число частиц, зависимость флуктуаций от числа частиц в системе.
15. Среднее значение кинетической энергии, основное уравнение молекулярнокинетической теории газов.
16. Удельная теплоемкость идеального газа. Термодинамическая температура. Принцип детального равновесия.
17. Распределение молекул по компонентам скорости и модулю скорости (распределение Максвелла) 18. Распределение Максвелла по энергии. Характерные скорости и энергии распределения.
19. Идеальный газ во внешнем потенциальном поле (распределение Больцмана).
20. Барометрическая формула.
21. Смесь газов в сосуде – распределение по концентрации.
22. Подъемная сила летательных аппаратов с открытой и закрытой оболочками.
23. Число степеней свободы молекул, теорема о распределении энергии по степеням свободы.
24. Основные законы термодинамики и их объяснение на основе статистической теории.
25. Первое начало термодинамики. Теплота, работа, энергия. Функции состояния системы.
26. Работа и энтропия в изопроцессах.
27. Классическая теория теплоемкости. Соотношения между теплоемкостями, данные по теплоемкости молекулярного водорода.
28. Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга-Пти.
29. Уравнение Пуассона для адиабатного процесса. Работа и энтропия при адиабатическом процессе.
30. Политропный процесс. Уравнение политропы. Изопроцессы, как частные случаи политропного процесса.
31. Энтропия, статистический и термодинамический подходы к изучению. Обратимые и необратимые процессы в термодинамике.
32. Циклические процессы в газах. Изменение энтропии в изопроцессах.
33. КПД тепловой машины. Энтропия цикла Карно.
34. Второе начало термодинамики. Термодинамический подход (формулировки Клаузиса и Кельвина) и статистический подход.
35. Теоремы Карно. Неравенство Клаузиса. Поведение энтропии в обратимых и необратимых процессах.
36. Термодинамические потенциалы (Внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, свободная энергия Гельмгольца, свободная энергия Гиббса). Потенциалы и равновесие.
37. Принцип Ле-Шателье-Брауна. Смысл термодинамического равновесия в открытых системах.
38. Фазовые переходы I и II рода. Классификация по Эренфесту. Скрытая теплота перехода, скачок теплоемкости.
39. Силы межмолекулярного взаимодействия, агрегатные состояния вещества. Потенциал Леннарда-Джонса.
40. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Изотермы реальных газов.
Правило рычага.
41. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
42. Уравнение Клайперона-Клаузиса. Скрытая теплота при фазовых переходах I – рода.
43. Вид процесса переноса в газах - теплопроводность.
44. Вид процесса переноса в газах - внутреннее трение.
45. Вид процесса переноса в газах - диффузия.
46. Общий вид уравнений переноса. Время релаксации, длина свободного пробега.
47. Связь между коэффициентами теплопроводности, внутреннего трения и диффузии.
48. Кристаллическое состояние вещества. Элементы симметрии.
4. ФОРМЫ ПРОМЕЖУТОЧНОГО И ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ:
Контрольные работы - Конспекты тем самостоятельной работы - Коллоквиум (промежуточный экзамен) – 1 -письменный, пятибальная система оценок Экзамен – по завершению курса, устный, пятибальная система оценок5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Интернет-источники %E0%FF+%F4%E8%E7%E8%EA%E http://school-collection.iv-edu.ru/catalog/rubr/a127a253-6d4f-431c-9d9ece1f86260293/78879/?interface=themcol Демонстрационные модели http://sc.karelia.ru/catalog/rubr/a127a253-6d4f-431c-9d9ece1f86260293/38063/?interface=themcol 5.2. Оборудование Лабораторный практикум по курсу "Молекулярной физики", позволяющий провести 10 лабораторных работ 5.3. Материалы 6.1. Основная литература 1. Матвеев А.Н. Молекулярная физика, М., Оникс, 2006, 2. Иродов И.Е. Задачи по общей физики, С-П. Лань. 3. Ю.И.Тютрин, И.П.Чернов, Ю.Ю.Крючков Физика. Молекулярная физика.Термодинамика: Учебник. – СПб.: Издательство "Лань", 2008. – 288 с.:
ил.-(Учебники для вызов. Специальная литература).
6.2. Дополнительная литература 1. Тютрин Ю.П., Чернов И.П., Крючков Ю.Ю. Молекулярная физика.
Термодинамика. С-Пб., 2008.- 276с.
2. Рейф Ф.С. Берклеевский курс физики, т.5: Статистическая физика, М.:
Наука, 3. Савельев И.В. Курс физики, т.1: Механика, молекулярная физика, М.:
Наука, 4. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика, -М.: Наука, 5. Сборник задач по общему курсу физики, // под ред. Сивухина Д.В.М.:
Наука, 6. Р.В. Поль. Механика, акустика и учения о теплоте. М.: Наука, 1971.
7. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, 8. Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы. М.: Наука,
«