(ФГБОУ ВО ГАГУ, ГАГУ, Горно-Алтайский государственный университет)
03.03.02 Физика
(<Курс>.<Семестр на курсе>)
Зав. кафедрой и.о.зав.каф.Богданова Р.А.
Зав. кафедрой и.о.зав.каф.Богданова Р.А.
исполнения в 2028-2029 учебном году на заседании кафедры
Зав. кафедрой и.о.зав.каф.Богданова Р.А.
исполнения в 2027-2028 учебном году на заседании кафедры
Зав. кафедрой и.о.зав.каф.Богданова Р.А.
исполнения в 2026-2027 учебном году на заседании кафедры
Зав. кафедрой и.о.зав.каф.Богданова Р.А.
исполнения в 2025-2026 учебном году на заседании кафедры
ции
ракт.
§1. История развития теории атомно-молекулярного строения вещества.
§2. Основные положения молекулярно-кинетической теории.
§3. Опытные факты, лежащие в основе м.к.т. вещества.
§4. Предмет молекулярной физики. Статистический и термодинамический подходы к изучению макроскопиче¬ских систем.
/Лек/
§1. Экспериментальные газовые законы. Уравнение Клапейрона-Менделеева.
§2. Основное уравнение м.к.т. идеальных газов. Абсолютная температура. Статистический смысл понятий температуры и давления.
§3. Экспериментальное доказательство справедливости основного уравнения м.к.т.
§4. Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения. Атмосферы планет. Опыт Штерна.
§5 Барометрическая формула. Закон Больцмана.
§6. Броуновское движение. Опыты Перрена. Число Авогадро.
§7. Средняя длина свободного пробега мо¬лекул. Вакуум.
§8. Явления переноса в газах (диффузия, вязкость и теплопроводность). Эмпирические и теоретические уравнения переноса.
§ 9. Зависимость коэффициентов переноса от давления при обычных условиях и в области вакуума. Вакуум и методы его получения.
/Лек/
§1. Предмет и метод термодинамики. Основные принципы и понятия термодинамики.
§2. Полная и внутренняя энергия термодинамической системы. Работа и теплота как два процесса передачи энергии.
§3. Первое начало термодинамики и его методологическое значение.
§4. Степени свободы молекул. Внутренняя энергия идеального газа. Теорема (принцип) о равномерном распределении энергии по степеням свободы.
§5. Классическая теория теплоемкости газов и ее затруднения. Квантовые представления о те¬плоемкости газов.
§6. Изопроцессы в газах. Работа, совершае¬мая газом в изопроцессах. Адиабатический процесс. Политропический процесс.
§7. Обратимые и необратимые процессы. Формулировки второго начала термодинамики. Тепловые машины. Цикл Карно. Максимальный к.п.д. тепловой машины. I и II теоремы Карно. Холодильные машины. Математическое выражение II начала термодинамики.
§8. Понятие об энтропии. Закон возрастания
энтропии. Расчет энтропии для различных процессов.
§9. Физический смысл энтропии. Энтропия и вероятность. Статистический характер II начала термодинамики и границы его применимости.
§10. Теорема Нернста. Третье начало термодинамики и его квантовый характер.
/Лек/
§ 1. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реальных газов. Критическая температура.
§ 2. Кипение, испарение и конденсация. Теп¬лота парообразования. Свойства паров. Влажность воздуха и методы ее определения. Значение влажности в технике, на производ¬стве и в сельском хозяйстве.
§3. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона. Сжижение газов. Отрицательные абсолютные температуры.
/Лек/
§1. Общие свойства и строение жидкостей. Газоподобные и твердоподобные модели вещества в жидком состоянии. Основные законы и закономерности, определяющие свойства жидкостей.
§2. Поверхностные явления в жидкостях. Поверхностные натяжения. Рассмотрение природы поверхностного натяжения с силовой и энергетической позиций.
§3. Давление под изогнутой поверхностью. Формула Лапласа. Смачивание и капиллярные явления. Формула Жюрена. Практическое использование поверхностных явлений в производстве.
§4. Давление насыщенных паров над искривленной поверхностью жидкости.
/Лек/
§1. Кристаллические и аморфные тела. Основные характеристики кристаллов. Строение и свойства кристаллов по типу связи. Моно- и поликристаллы.
§2. Энергия связи в кристаллах. Формула Ми. Теория ионных кристаллов. Разрушение кристалла. Дефекты в кристаллах. Упрочнение кристаллов. Современные волокнистые материалы или материалы будущего.
§3. Тепловое расширение, теплопроводность твердых тел. Классическая теория теплоемкости твердых тел (закон Дюлонга и Пти) и ее трудности. Квантовые теории Эйнштейна и Дебая теплоемкости твердых тел.
/Лек/
§1. Равновесие фаз. Фазовые переходы между газами, жидкостью и твердыми телами. Диаграмма состояния вещества. Тройная
точка.
§2. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса и его применение к фазовым переходам. Понятие о фазовых переходах 1-2 рода.
§3. Особенности фазовых превращений воды и их роль в природе
/Лек/
1.Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Уравнение состояния.
2.Газовые законы.
3.Распределение Максвелла и Больцмана
4. Явления переноса.
/Пр/
1. Первое начало термодинамики. Теплоемкость газов.
2. Тепловые двигатели и холодильные машины. Второе начало термодинамики. Энтропия.
/Пр/
1.Реальные газы. Газ Ван-дер-Ваальса.
2. Свойства паров. Влажность воздуха
/Пр/
1. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение. Капиллярные явления. /Пр/
1. Свойства твердых тел. /Пр/
1. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. /Пр/
Определение размеров микроскопических (броуновских) частиц методом наблюдения их распределения в поле тяжести
Лабораторная работа 2
Определение универсальной газовой постоянной методом откачки
Лабораторная работа 3
Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул
Лабораторная работа 4
Определение отношения удельных теплоемкостей газа
методом адиабатического расширения
Лабораторная работа 5
Определение коэффициента динамической вязкости воздуха
Лабораторная работа 6
Определение коэффициента внутреннего трения вязкости жидкости по методу Стокса.
Лабораторная работа 7.
Определение коэффициента внутренней теплопроводности металлов.
Лабораторная работа 8
Второе начало термодинамики.
Определение энтропии при плавлении твердых тел.
Лабораторная работа 9
Определение абсолютной и относительной влажности воздуха
Лабораторная работа 10
Определение температуры и удельной теплоты плавления льда.
Лабораторная работа 11
Определение коэффициента линейного расширения твердых тел.
Лабораторная работа 12
Определение удельных теплоемкостей жидкостей.
Лабораторная работа 13
Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры (метод максимального давления в пузырьке).
Лабораторная работа 14
Изучение зависимости давления газа от температуры
в сосуде постоянного объема
Лабораторная работа 15
Проверка уравнения состояния газа
/Лаб/
2.Подготовка и сдача домашнего задания
3.Подготовка к лабораторным работам
/Ср/
Теоретические вопросы
1.Основное уравнение МКТ (вывод)
2.Вывод выражения для средней кинетической энергии поступательного движения молекул.
3.Получение выражения для основного уравнения МКТ в виде: p = nkT
4.Уравнение состояния идеального газа (получить из основного уравнения МКТ)
5.Закон Бойля-Мариотта (получить из уравнения состояния идеального газа). Представить закон математически и графически
6.Закон Гей-Люссака (получить выражения в трех видах). Представить закон математически и графически
7.Закон Шарля (получить выражения в трех видах). Представить закон математически и графически
8.Закон Дальтона для смеси газов (получить из уравнения состояния идеального газа).
9.Закон Авогадро (получить из уравнения состояния идеального газа)
10.Распределение газовых молекул по скоростям. Распределение Максвелла
11.Законы изменения давления и концентрации газа с высотой в поле силы тяжести. Закон Больцмана (математические и графические представления).
13. Явления переноса. Экспериментальный закон вязкости (закон Ньютона). Схематическое представление процесса вязкости.
14. Явления переноса. Экспериментальный закон теплопроводности (закон Фурье). Схематическое представление процесса теплопроводности.
15.Первое начало термодинамики.
16.Теплоемкость. Теплоемкость тела, удельная теплоемкость, молярная теплоемкость и их соотношение.
17.Изопроцессы. Работа и теплоемкость в изопроцессах. Изохорический процесс.
18. Изопроцессы. Работа и теплоемкость в изопроцессах. Изобарический процесс.
19. Изопроцессы. Работа и теплоемкость в изопроцессах. Изотермический процесс.
20.Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. Сравнение адиабаты и изотермы координатах p,V.
21.Цикл Карно. КПД тепловой машины.
22.Второе начало термодинамики. Понятие об энтропии и ее физический смысл. Основное уравнение термодинамики.
23.Внутренняя энергия идеального и реального газов.
24.Уравнение состояния реального газа (уравнение Ван-дер-Ваальса). Обоснование уравнения Ван-дер-Ваальса. Теоретические и экспериментальные изотермы Ван-дер-Ваальса.
Основные физические понятия
Вещество – это вид материи, который обладает массой покоя. Это элементарные частицы, небольшая совокупность элементарных частиц (атомы, ионы, молекулы),большое число элементарных частиц (физические тела), огромная совокупность элементарных частиц (мегамир).
Макроскопическая система – любое тело или группа тел, состоящих из множества частиц.
Молекулярная физика – раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.
Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.
Статистический метод (основы молекулярной физики) – метод исследования систем из большого числа частиц, оперирующий статистическими закономерностями и средними значениями физических величин, характеризующих всю совокупность частиц (например, средние значения скоростей теплового движения молекул и их энергий).
Термодинамический метод (основы термодинамики) - метод исследования систем из большого числа частиц, оперирующий на основе законов превращения энергии величинами, характеризующими систему в целом (например, давление, объем, температура), не рассматривая ее микроструктуры и совершающихся в системе микропроцессов.
Термодинамические параметры – совокупность физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Обычно в качестве параметров состояния выбирают температуру, давление и объем.
Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и определяющая направление теплообмена между телами.
Уравнение состояния – функциональная зависимость между параметрами простой термодинамической системы – давлением р, объемом V и температурой Т.
Идеальный газ – идеализированная модель газа, согласно которой: 1) собственный объем молекул газа пренебрежительно мал по сравнению с объемом сосуда; 2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия; 3) столкновения молекул газа между собой и стенками сосуда абсолютно упругие.
Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.
Молекулярная масса – масса молекулы.
Молярная масса – масса вещества, взятого в количестве 1 моля.
Явления переноса – необратимые процессы в термодинамически неравновесных системах, в которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса.
Теплопроводность – направленный перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию их температуры.
Диффузия – направленный процесс проникновения молекул одного вещества в другое вследствие теплового движения в направлении уменьшения концентрации этих молекул.
Вязкость (внутреннее трение) – явление возникновения сил, препятствующих относительному перемещению слоев жидкости или газа, обусловленное переносом импульса.
Внутренняя энергия термодинамической системы – энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т.д.) и энергия взаимодействия этих частиц.
Работа – мера изменения энергии системы в механических процессах. Работа является макрофизическим процессом передачи энергии.
Работа в термодинамике – работа при сжатии или расширении газа в цилиндре при изобарическом процессе: А= р V.
Количество теплоты – энергия, полученная или отданная телом в форме беспорядочного движения образующих тело микрочастиц путем теплообмена.
Теплоемкость тела – количество теплоты, необходимое для увеличения температуры тела на 1 К.
Изопроцессы – равновесные процессы, в которых один из основных параметров сохраняется постоянным.
Адиабатический процесс – Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой.
Энтропия – функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания в ней самопроизвольных процессов.
Термодинамическая вероятность состояния W – число способов, которыми может быть реализовано данное состояние макроскопической системы, или число микросостояний, осуществляющих данное макросостояние.
Критерии оценивания:
- «зачтено» выставляется студенту, если был дан исчерпывающий ответ на поставленные вопросы, выступление грамотное, с точки зрения физики - аргументированное. Студент владеет наглядными способами представления информации
- «незачтено» выставляется студенту, если студент не смог выполнить поставленную задачу.
Контрольные работы
Оценочные средства для текущего контроля приведены в Приложении №1
Контрольные вопросы к лабораторным работам:
Лабораторная работа 1
Определение размеров микроскопических (броуновских) частиц методом наблюдения их распределения в поле тяжести
1. Почему производят большое число отсчетов частиц, видимых в поле зрения микроскопа?
2. Что такое число Авогадро?
3. Как связано давление газа с числом молекул и температурой?
4. Что такое Броуновское движение.
5. Формула Больцмана. Опыт Перрена.
6. Почему меняется количество частиц с высотой?
7. Вывод рабочей формулы.
8. Почему в горах воздух разряжен?
9. Определите высоту, на которую может подняться молекула азота и частица краски с объемом V=10-21 м3 при Т=280К в поле силы тяжести Земли.
Лабораторная работа 2
Определение универсальной газовой постоянной
методом откачки
1. В чем отличие термодинамического и микроскопического описания системы? Какие параметры называются термодинамическими, а какие микроскопическими?
2. Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетической теории. Какие явления подтверждают эти положения?
3 . Запишите и сформулируйте основное уравнение МКТ?
4. Запишите уравнение Менделеева–Клапейрона и объясните величины, входящие в него.
5. Какой процесс называется изотермическим. Закон Бойля-Мариотта. Изобразите график изотермы.
6. Какой процесс называется изобарным. Закон Гей-Люссака. Изобразите график изобары.
7. Какой процесс называется изохорным. Закон Шарля. Изобразите график изохоры.
8. Вычислите универсальную газовую постоянную, используя со-стояние газа при нормальных условиях.
9. Каков физический смысл универсальной газовой постоянной?
10. Рассчитайте массу воздуха в лаборатории, используя реальные данные.
Лабораторная работа 3
Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул
1. Вывод рабочих формул
2. Дайте определение средней длины свободного пробега моле-кул, от каких физических параметров она зависит. Дать определение эффективного диаметра.
3. Дайте определение числа Лошмидта. Рассчитать число Лошмидта.
4. Как изменится длина свободного пробега, если газ станет ре-альным (Ван-дер-Ваальсовским газом)?
Лабораторная работа 4
Определение отношения удельных теплоемкостей газа
методом адиабатического расширения
1. Что называется теплоемкостью, удельной теплоемкостью, мо-лярной теплоемкостью? Запишите связь между удельной и молярной теплоемкостями.
2. Дайте определение ср и сV, Ср и СV. От чего зависит теплоемкость?
3. Запишите уравнение Майера (связь Ср и СV).
4. Какой процесс называется адиабатическим. Запишите уравнение адиабаты. Что и почему идет круче адиабата или изотерма?
5. Запишите первое начало термодинамики для адиабатического процесса. Чему равны: количество теплоты, внутренняя энергия и работа при адиабатическом процессе?
6. Запишите уравнение Пуассона. Чему равен показатель адиабаты? От чего он зависит?
7. Как меняется температура газа при адиабатическом расшире-нии?
8. Объясните , почему растет давление в сосуде после закрытия крана?
Лабораторная работа 5
вязкости воздуха
1. От каких параметров и как зависит коэффициент вязкости га-зов?
2. Объяснить различие в зависимости от температуры коэффициентов динамической вязкости газов и жидкости.
3. Что такое эффективный диаметр газовых молекул?
4. Какие другие методы применяются для определения коэффициента динамической вязкости жидкости и газов?
5. Почему, несмотря на истечение воды из баллона, с некоторого момента устанавливается постоянная разность давлений (p1-р2) в манометре?
6. Можно ли в качестве манометрической жидкости в данной работе использовать ртуть?
7. Каково соотношение между единицами измерения коэффициента динамической вязкости в системах СИ и СГС?
Лабораторная работа 6.
Определение коэффициента внутреннего трения вязкости жидкости по методу Стокса.
1. Чему равна и как направлена сила внутреннего трения двух слоев жидкости?
2. Каков физический смысл коэффициента вязкости? Размерность его.
3. Объясните возникновение сил внутреннего трения с точки зрения молекулярно-кинетической теории.
4. Раскрыть характер движения шарика на различных участках и показать где его поведение определяется первым законом Ньютона, а где вторым Законом Ньютона.
5. Как зависит от температуры коэффициент вязкости для газа и жидкости? Объясните разницу.
6. Запишите формулу Стокса и объясните, при каких условиях ею можно пользоваться.
7. Дайте понятия ламинарного и турбулентного течений.
8. Оцените число Рейнольдса по вашим данным, используя измерения для самого большого и самого маленького шариков и среднее значение найденного коэффициента вязкости.
Лабораторная работа 7.
Определение коэффициента внутренней теплопроводности металлов.
1. Почему добавлять воду в кипятильник (1-ый метод) следует малыми дозами? Что нужно сделать, чтобы можно было добавлять воду большими порциями?
2. Для чего начальную температуру в калориметре (1-ый метод) берут ниже комнатной, а конечную на такое же число градусов выше комнатной?
3. Для чего увеличивают поверхность соприкосновения стержня с водой калориметра? Какого знака будет ошибка при измерении k , если этого не сделать?
4. Оцените полученное значение k, учитывая рассеяние теплоты стержнем в окружающее пространство. Занижено или завышено это значение по отношению к истинной величине k?
5. Вывод основной рабочей формулы.
6. Какие явления носят общее название явлений переноса?
7. Указать способы переноса теплоты.
8. Вывести и разобрать уравнение теплопроводности.
9. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?
10. Каковы границы применимости уравнений переноса?
Лабораторная работа 8.
Второе начало термодинамики.
Определение энтропии при плавлении твердых тел.
1. Вывод основной формулы.
2. Что такое приведенное количество теплоты? Что такое эн-тропия?
3. Второе начало термодинамики. Дать три основных формулировки второго начала термодинамики (Клаузиса, Планка-Томсона и др.).
4. Сформулируйте второе начало термодинамики, используя понятие энтропии.
Лабораторная работа 9
Определение абсолютной и относительной влажности воздуха
1. Что такое абсолютная и относительная влажность, упругость паров?
2. Как меняется температура жидкости при испарении. Почему?
3. Какой пар называется насыщенным? Указать по изотерме реального газа области с насыщенным паром. Как зависит давление насыщенного пара от температуры?
4. Как меняется масса жидкости, находящейся в контакте с паром, с течением времени, если пар а) насыщенный, в) ненасыщенный. Как меняется температура жидкости в этом случае?
5. Что такое скрытая теплота испарения? Как она зависит от температуры?
6. Как зависит температура смоченного термометра от относительной влажности? Почему?
7. Что такое точка росы?
Лабораторная работа №10
Определение температуры и удельной теплоты плавления льда.
1. Вывод рабочей формулы.
2. Как объяснить кривую изменения температуры, полученную в опыте?
3. Почему меняется угол наклона кривой к оси абсцисс?
5. Что называется теплоемкостью тела? Почему в работе следует пользоваться средней удельной теплоемкостью?
6. Теплоемкость при изотермическом процессе равна бесконечно-сти, что это означает в физики?
7. Отличительный признак фазового перехода первого рода от фазового перехода второго рода.
8. Физический смысл уравнения Клайперона-Клаузиса.
Лабораторная работа №11.
Определение коэффициента линейного расширения твердых тел.
1. Как объяснить с точки зрения МКТ тепловое расширение тел.
2. В каких единицах измеряется α?
3. Выведите зависимость между линейным (α) и объемным (β) коэффициентами теплового расширения тел.
4. Почему в данной задаче первоначальная длина стержня l1 измеряется с меньшей точностью, чем величина ∆l?
5. Вывести зависимость длины твердых тел от температуры для случая, когда начальная температура tо=0°С.
6. Есть ли связь между тепловым расширением тел и их упругими свойствами? Между коэффициентом теплового расширения и теплоемкостью твердых тел?
Лабораторная работа 12
Определение удельных теплоемкостей жидкостей.
1. Вывести рабочую формулу.
2. Почему необходимо в процессе измерения непрерывно перемешивать жидкость?
3. Почему, если сопротивление спиралей одинаково, можно считать, что в калориметрах выделяется одинаковое количество теплоты?
4. Как определить погрешность в показаниях приборов?
5. Что такое молярная теплоемкость? Связь между молярной теплоемкостью и удельной теплоемкостью вещества?
Лабораторная работа 13
Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры (метод максимального давления в пузырьке).
1. Капиллярные явления в жидкостях.
2. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от тем-пературы. Его значение при критической температуре.
3. Влияние примесей на коэффициент поверхностного натяжения.
4. Вывод основных формул.
Лабораторная работа 14
Изучение зависимости давления газа от температуры
в сосуде постоянного объема
1. Каковы выводы молекулярно-кинетической теории газов о зависимости давления газов от микропараметров газа (массы молекул, их скорости, кинетической энергии, концентрации молекул)?
2. Как связаны температуры тел, измеренные по шкале Цельсия и Кельвина?
3. Какова зависимость давления газа от абсолютной температуры газа в закрытом сосуде, если исходить из уравнения состояния идеального газа?
4. Почему температура по шкале Кельвина называется абсолютной температурой?
Лабораторная работа 15
Проверка уравнения состояния газа
1. Какие параметры газа определяют его состояние? Какие из них изменяются и измеряются в работе?
2. Как должен выглядеть график зависимости давления газа от его объема при постоянной температуре? График зависимости произведения объема газа на его давление от объема при постоянной температуре? График зависимости произведения объема газа на его давление от температуры?
3. Чему равна погрешность измерения параметров газа в работе?
Критерии оценки
Каждая лабораторная работа оценивается в 5 баллов, из них 3 балла – за ответы на контрольные вопросы, 2 балла – за выполнение и оформление лабораторных работ.
- оценка «отлично» выставляется студенту, если он правильно выполнил измерения, грамотно оформил их результаты в виде таблиц и графиков, верно произвёл оценку погрешностей измерений, правильно произвёл расчёты по рабочим формулам, сделал выводы, логически вытекающие из экспериментальных результатов, правильно ответил на контрольные вопросы, продемонстрировав ясное понимание физики изучаемого явления и сути проводимого эксперимента
- оценка «хорошо» выставляется студенту, если он правильно выполнил измерения, грамотно оформил их результаты в виде таблиц и графиков, верно произвёл оценку погрешностей измерений, правильно произвёл расчёты по рабочим формулам, правильно ответил на большинство контрольных вопросов, продемонстрировав понимание физики изучаемого явления и сути проводимого эксперимента;
- оценка «удовлетворительно» выставляется студенту, если он правильно выполнил измерения, оформил их результаты в
Тестовые задания
Оценочные средства для текущего контроля приведены в Приложении №1
Критерии оценки:
- Оценка «отлично» выставляется студенту, если он дал правильные ответы в диапазоне 85-100%,
- Оценка «хорошо» выставляется студенту, если он дал правильные ответы на 76-84%
- Оценка «удовлетворительно» выставляется студенту, если он дал правильные ответы на 61-75% вопросов
- Оценка «неудовлетворительно» выставляется студенту, если он дал правильные ответы менее чем на 61% вопросов.
ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ
Оценочные средства для текущего контроля приведены в Приложения №1