Українська державна академія залізничного транспорту

ЗМІСТ ДИСЦИПЛИНИ

Напрям: 6.050503 для спеціальності „Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини та обладнання”

Напрям: 6.060101 для спеціальності „Промислове та цивільне будівництво”

Напрям: 6.070105 для спеціальності „Залізничні споруди та колійне господарство”

ОПИС ПРЕДМЕТА НАВЧАЛЬНОГО КУРСУ

Кількість кредитів, відповідних ЕСТS – 7,5

Залікових кредитів – 2

Модулів – 4

Змістових модулів – 12

Загальна кількість годин – 270

Тижневих годин: на 2-му та 3-му сем. – 4

Предмет курсу: вивчення фундаментальних закономірностей фізичних форм руху матерії, її будови, властивостей та взаємодії. Забезпечення вивчення  фахово-орієнтованих дисциплін.

Таблиця 1 – Термін вивчення дисципліни

Таблиця 2 – Види занять з дисципліни 

Блок змістових модулів 1. Фізичні основи механіки

Змістовий модуль 1.1.  Кінематика та динаміка твердого тіла. 

Тема 1.1.1. Базові поняття фізики.

Предмет фізики. Матерія. Фізичні форми руху матерії. Простір – час. Просторові та часові масштаби фізичних систем. Фундаментальні взаємодії. Методи фізичних досліджень: дослід, гіпотеза, експеримент, теорія. Моделі в фізиці. Фізична величина. Система величин LMTIӨNJ. Міжнародна система одиниць (SI). Порядок значення величини. Похибки вимірювань.

Тема 1.1.2. Кінематика матеріальної точки.

Предмет механіки. Механічний рух. Моделі механіки. Кінематика та динаміка. Основні задачі кінематики. Матеріальна точка. Тіло відліку та система відліку. Траєкторія. Шлях та лінійне переміщення. Середня та миттєва швидкість. Середнє та миттєве прискорення. Рівняння руху та закон руху. Прямолінійний рівномірний рух. Вільне падіння. Рух тіла, кинутого вертикально вгору.

Відносність механічного руху. Відносна швидкість. Перетворення Галілея. Рух матеріальної точки в площині. Траєкторія та еволюта. Принцип незалежності рухів. Балістичний рух. Рівномірний та рівноприскорений рух матеріальної точки по колу. Кутове переміщення, кутова швидкість та кутове прискорення. Нормальне та тангенціальне прискорення.

Тема 1.1.3. Динаміка матеріальної точки.

Основні задачі динаміки. Інерція. Перший закон Ньютона. Принцип Галілея. Маса. Сила. Другий закон Ньютона. Імпульс. Основне рівняння динаміки. Закон збереження імпульсу. Третій закон Ньютона. Механічна робота. Потужність.

Сили в механіці. Консервативні сили. Закон всесвітнього тяжіння. Дисипативні сили. Тертя. Пружні сили. Закон Гука. Реакції. Принцип незалежності дії сил. Аналіз сил. Вага та невагомість. Доцентрова сила. Гіроскопічні сили.

Тема 1.1.4. Механічна робота та енергія.

Механічна робота. Робота постійної та змінної сил. Кінетична енергія. Теорема про зв’язок кінетичної енергії та роботи. Потужність.

Тема 1.1.5. Обертальний рух твердого тіла.

Векторні властивості кутових змінних. Обертання твердого тіла навколо осі. Момент сили. Закон обертального руху твердого тіла. Момент інерції. Обчислення моментів інерції тіл обертання. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу. Рівновага сил. Умови рівноваги.

Змістовий модуль 1.2. Застосування законів збереження в механіці та елементи теорії пружності.

Тема 1.2.1. Закон збереження механічної енергії.

Потенціальна енергія. Гравітаційна потенціальна енергія. Центральні сили. Рух центра мас системи матеріальних точок. Закон збереження механічної енергії. Зіткнення тіл. Системи змінної маси.

Тема 1.2.2. Елементи теорії пружності.

Суцільне середовище. Основні задачі механіки суцільних середовищ. Густина речовини. Напруження та деформація. Закон Гука. Діаграма розтягу.

Змістовий модуль 1.3. Основні закони рідин і газів.

Тема 1.3.1. Статика рідин та газів.

Рідкий та газоподібний стан речовини. Тиск у рідинах та газах.  Атмосферний тиск та надлишковий тиск. Закон Паскаля. Закон Архімеда. Поверхневий натяг. Капілярність.

Тема 1.3.2. Динаміка рідин та газів.

Течія рідини/газу. Лінія струму та трубка струму. Масовий видаток.  Рівняння неперервності. Рівняння Бернуллі. В'язкість. Турбулентна та ламінарна течія в трубі. Рух тіл в рідинах та газах.

Блок змістових модулів 2. Основи термодинаміки.

Змістовий модуль 2.1. Молекулярною кінетична теорія та рівняння газового стану.

Тема 2.1.1. Методу опису макроскопічних систем.

Макроскопічна система. Атомістична теорія. Моль – основна одиниця SI. Фізичний стан речовини. Ієрархічна структура речовини. Термодинамічний метод опису макроскопічної системи. Термодинамічний стан. Термодинамічна система. Термодинамічний процес. Контрольна поверхня та різновиди термодинамічних систем на прикладі моделей ідеального газу. Статистичний метод опису макроскопічної системи на прикладах моделей ідеального та реального газу. Температура. Газові закони та абсолютна температура. Рівняння Клапейрона. Рівняння Больцмана. Закон Дальтона.

Внутрішня енергія. Термодинамічні системи. Теплота. Теплоємність. Теплове розширення та теплове напруження. Рівняння теплового балансу.

Тема 2.1.2. Мікроскопічний аналіз стану ідеального газу.

Броунівський рух. Кінетичні процеси. Мікроскопічний зміст тиску та температури; рівняння Бернуллі. Внутрішня енергія ідеального газу. Розподіл Больцмана. Явища перенесення в газах. 

Змістовий модуль 2.2. Перше та друге начало термодинаміки.

Тема 2.2.1. Перший принцип термодинаміки.

Термодинамічна рівновага. Нульовий принцип термодинаміки. Теплота та робота. Перший принцип термодинаміки. Застосування першого принципу термодинаміки до опису ізопроцесів. Теплоємності газів та принцип рівнорозподілу енергії. Адіабатичний процес.

Тема 2.2.2. Другий принцип термодинаміки.

Термодинамічний цикл. Теплові машини. Теплова машина Карно. Другий принцип термодинаміки. Ентропія. Статистична інтерпретація ентропії. Термодинамічна шкала температур. Кельвін – основна одиниця SI. Абсолютний нуль температури. Теорема Нернста.

Змістовий модуль 2.3. Фізична кінетика і фазові перетворення.

Тема 2.3.1. Реальні гази.

Модель реального газу. Рівняння Ван дер Вальса. Випаровування та конденсація. Насичена пара та пружність пара. Абсолютна та відносна вологість повітря.

Тема 2.3.2. Фазові перетворення.

Фаза та її характеристики. Явища на поверхні розділу двох фаз. Поверхневий натяг. Капілярність. Фазові перетворення першого та другого роду. Правило фаз Гібса. Рівняння Клапейрона-Клаузіуса. Аналіз фазових перетворень типу “тверде тіло – рідина”, “рідина – тверде тіло”, “рідина – газ”, “газ – рідина”, “тверде тіло – тверде тіло”.

Блок змістових модулів 3. Електрика магнетизм. 

Змістовий модуль 3.1. Електростатика та закони постійного струму.

Тема 3.3.1. Електростатика.

Статична електрика. Електричний заряд. Закон збереження електричного заряду. Ізолятори та провідники. Електростатична індукція. Закон Кулона. Електричне поле. Напруженість електричного поля. Силові лінії. Потік напруженості електричного поля. Теорема Гауса. Електричний диполь.

Електричний потенціал. Зв'язок між електричним потенціалом та напруженістю електричного поля. Еквіпотенціальні поверхні. Електричний потенціал точкового заряду, електричного диполя та довільної системи зарядів. Електростатична потенціальна енергія.

Накопичення електричної потенціальної енергії. Конденсатори. Електрична ємність. З'єднання конденсаторів. Діелектрики. Поляризація діелектриків. Теорема Гауса для діелектриків. Поляризація та електричне зміщення.

Тема 3.1.2. Постійний електричний струм.

Електрична батарея та електричний струм. Умови існування електричного струму. Електрорушійна сила (ЕРС). Сила електричного струму. Електричний опір. Закон Ома. Питомий електричний опір. Надпровідність. Мікроскопічний опис явища електропровідності. Густина електричного струму. Електрична потужність.

Резистори. З'єднання резисторів. Джерела ЕРС. Мережі постійного струму. Правила Кірхгоффа. RC-ланцюжок. Гальванометр. Амперметр та вольтметр. Потенціометр. Міст Уітстона. Електричні датчики та перетворювачі. Особливості електричного струму в рідинах, газах, вакуумі та напівпровідниках.

Змістовий модуль 3.2. Магнітне поле та магнітна взаємодія.

Тема 3.2.1. Магнітне поле.

Магніти та магнітні поля. Магнітне поле електричного струму. Сила що діє на провідник зі струмом у магнітному полі. Магнітна індукція. Графічне зображення магнітного поля. Рух електричного заряду в магнітному полі. Магнітний дипольний момент. Принцип дії гальванометрів, електродвигунів, гучномовців. Ефект Голла.

Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом. Закон Ампера.  Магнітне поле соленоїда та тора. Взаємодія двох паралельних провідників зі струмом. Ампер - основна одиниця SI. Закон Біо-Савара. Феромагнетизм. Гістерезис. Парамагнетизм та діамагнетизм. Вектор намагніченості і узагальнення закону Ампера. Напруженість магнітного поля.

Тема 3.2.2. Електромагнітна індукція та змінний струм.

ЕРС індукції. Закон електромагнітної індукції Фарадея. Правило Ленца. ЕРС, що наводиться в рухомому провіднику. Змінний магнітний потік. Електрогенератор. Проти-ЕРС. Трансформатор. Взаємна індуктивність та індуктивність. Явище самоіндукції. Енергія магнітного поля. LC-контур, RL-ланцюжок, та RCL-контур.

Змінний струм та його характеристики. Мережі змінного струму. Резистор, конденсатор та індуктивність в мережах змінного струму. Змінний струм в RCL-ланцюжку. Реактивний опір. Повний імпеданс. Погодження імпедансів. Ураження електричним струмом. Струми втрати.

Блок змістових модулів 4. Коливання та хвилі.

Змістовий модуль 4.1. Фізика коливань та хвиль.

Тема 4.1.1. Механічні коливання.

Механічний осцилятор. Гармонічні коливання. Зв'язок гармонічних коливань з рівномірним рухом по колу. Математичний опис гармонічних коливань. Пружинний маятник. Математичний маятник. Фізичний маятник. Суперпозиція гармонічних коливань. Згасни гармонічні коливання. Вимушені коливання. Резонанс.

Тема 4.1.2. Механічні хвилі. 

Хвильовий рух та його характеристики. Типи хвиль. Перенесення енергії хвилями. Математичний опис гармонічної хвилі. Пружні гармонічні хвилі. Відбивання та заломлення хвиль. Інтерференція та дифракція хвиль. Принцип Гюйгенса. Звук. Ефект Доплера. Стоячі хвилі. Ударні хвилі.

Тема 4.1.3. Теорія Максвела. Електромагнітні хвилі.

Електромагнітне поле. Струм зміщення. Взаємозв'язок електричного та магнітного полів. Теорема Гаусса для магнітного поля. Рівняння Максвелла. Генерація електромагнітних хвиль. Світло як електромагнітна хвиля. Шкала електромагнітних хвиль. Диференціальна форма рівнянь Максвелла.

Змістовий модуль 4.2. Геометрична, хвильова та квантова оптика.

Тема 4.2.1. Оптичні явища.

Світлові промені. Показник заломлення. Закони геометричної оптики. Дзеркала. Тонкі лінзи. Аберації лінз. Принцип Гюйгенса в оптиці. Дифракція та інтерференція світла. Поляризація світла. Основи фотометрії. Кандела - основна одиниця SI.

Тема 4.2.2. Елементи квантової оптики.

Теплове випромінення. Закон Кірхгоффа. Закон Стефана-Больцмана. Закон Віна. Закон випромінення Планка. Гіпотеза квантів Планка. Фотоефект. Ефект Компотна.

Блок змістовних модулів 5. Основи фізики атомів, молекул та ядер.

Змістовий модуль 5.1. Сучасні теорії будови атомів, молекул та атомного ядра.

Тема 5.1.1.  Основні поняття квантової механіки. Будова атома.

Гіпотеза де Бройля. Хвильова функція та її інтерпретація. Принцип невизначеностей Гайзенберта. Рівняння  Гайзенберта та рівняння Шредінгера. Філософські аспекти квантової теорії: принцип доповнювальності Бора; копенгагенська інтерпретація; теорія Хью Еверетта ІІІ. Еволюція уявлень про будову атома. Закон Мозлі. Атомні спектри. Квантовомеханічна картина будови атома. Квантова теорія атома водню. Квантові числа. Складні атоми. Принцип Паулі. Періодична система хімічних елементів.

Тема 5.1.2. Будова молекул. Конденсований стан речовини.

Молекулярні спектри. Лазери та голографія. Поняття про зонну теорію. Провідники та діелектрики. Напівпровідники. Напівпровідникові прилади. Типи хімічного зв'язку. Квантова природа магнітних властивостей речовини.

Змістовий модуль 5.2. Ядерне випромінювання та ядерні реакції.

Тема 5.2.1. Елементи ядерної фізики.

Структура атомного ядра. Ядерні сили. Ізотопи. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду. Біологічна дія ядерного випромінювання. Використання ядерної енергії.

Тема 5.2.2. Елементарні частинки.

Частинки високих енергій. Мезонна теорія Юнави. Частинки та античастинки. Класифікація частинок. Кварки. Квантова хромодинаміка.  Електрослабка теорія. Теорії Великого Об'єднання. Дослідження складних систем. Явища самоорганізації. Фізичні дослідження та нанотехнології. Філософські аспекти розвитку фізики. Роль фізики в еволюції сучасного світогляду. Роль українських вчених в розвитку фізики.