Проект
ПРОГРАММЫ ПО ФИЗИКЕ
для студентов технических ВУЗов (к стандартам 3-его поколения)
По уровню сложности описанный в данной программе материал разделен на три модуля:
— 1 модуль— текст, выделенный каноническим шрифтом
— 2 модуль— текст, выделенный каноническим шрифтом и курсивом
— 3 модуль— текст, выделенный каноническим, мелким шрифтом и курсивом
— 1 модуль соответствует базовому уровню— 2сем*3 ч.=102 часа;
— 2 модуль— промежуточному 3сем*4 ч.=204 часа;
— 3 модуль— продвинутому 4сем*6 ч.=408 часа;
ВВЕДЕНИЕ
Предмет изучения физики. Методы физических исследований: опыты, наблюдения, гипотезы, теории, эксперименты. Понятия и представления физики. Физические модели. Физические величины. Физические теории. Физика и техника. Физика и вычислительная техника. Компьютерные эксперименты. Этапы развития физики. Единицы измерения физических величин. Система единиц СИ.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
Кинематика
Кинематика движения материальной точки в пространстве. Система отсчета и система координат. Радиус-вектор. Его модуль. Траектория. Вектор перемещения. Средняя скорость. Мгновенная скорость. Модуль вектора скорости. Вектор ускорения и его модуль. Центростремительное и касательное ускорения.
Кинематика движения твердого тела. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Вектор угловой скорости. Формула Эйлера. Произвольное движение твердого тела. Мгновенная ось вращения.
Динамика материальной точки
Принцип инерции Галилея. Инерциальные системы отсчета. Преобразования Галилея. Сила. Масса. Законы Ньютона. Принцип относительности. Инвариантность. Сила тяжести и вес тела. Сила трения и сила нормального давления. Основная задача динамики.
Начальные условия. Импульс. Момент импульса. Момент силы. Плечо силы. Закон сохранения момента импульса материальной точки.
Работа силы. Кинетическая энергия. Мощность силы. Силовое поле. Консервативная сила. Потенциальная энергия. Градиент потенциальной энергии и консервативная сила.
Закон сохранения полной механической энергии.
Центральная сила. Законы сохранения при движении частицы в поле центральной силы.
Динамика системы частиц и законы сохранения
Внутренние и внешние силы. Импульс системы тел. Закон сохранения импульса. Формула Мещерского. Центр инерции. Момент импульса системы тел. Закон сохранения момента импульса.
Потенциальная энергия взаимодействия частиц. Полная механическая энергия системы частиц. Закон сохранения энергии.
Потенциальные кривые межмолекулярного взаимодействия (потенциал Ленард-Джонса) и потенциал межатомного взаимодействия (потенциал Морзе). Неупругое и упругое взаимодействие частиц.
Законы сохранения, симметрия пространства и времени.
Динамика твердого тела
Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент импульса твердого тела. Момент инерции. Основное уравнение динамики вращательного движение. Моменты инерции простых тел. Теорема Штейнера. Вычисление моментов инерции стержня, цилиндра, шара и параллелепипеда. Свободные оси. Главные оси инерции. Понятие о тензоре инерции. Гироскоп. Прецессия. Статика. Условия равновесия твердого тела. Динамика плоского движения твердого тела. Кинетическая энергия твердого тела
Гравитация
Закон всемирного тяготения. Эквивалентность инертной и гравитационной масс. Сила тяготения. Космические скорости. Спутники.
Гравитационное поле. Напряженность и потенциал гравитационного поля. Гравитационное поле сферически симметрично распределенного вещества. Гравитационное поле материальной точки, сферического слоя и однородного шара. Протяженные тела в гравитационном поле. Взаимодействие сферически симметричных тел. Опыт Кавендиша. Гравитационное поле вблизи поверхности Земли. Гравитационная энергия системы материальных точек. Элементы общей теории относительности. Гравитационные волны. Космология. Модель Фридмана. Постоянная Хабла. Теория большого взрыва.
Интегрирование уравнений движения
Задача двух тел. Приведенная масса. Движение частицы в поле центральной силы. Уравнения движения. Полярные координаты. Законы сохранения момента импульса и энергии. Эффективная потенциальная энергия. Финитные и инфинитные движения. Орбиты планет, спутников и других небесных тел. Конические сечения. Параметр и эксцентриситет орбиты. Законы Кеплера. Кинетическая и потенциальная энергии системы частиц, совершающих финитное движение.
Специальная теория относительности
Принцип относительности. Пространство-время Минковского. Мировая линия частицы. Световой конус. Преобразования Лоренца. Следствие из преобразований Лоренца. Парадокс близнецов. Преобразования скоростей.
Релятивистская динамика. Инварианты и четырехмерные векторы. Четырехмерные векторы скорости и ускорения. Ковариантные уравнения движения материальной точки. Связь между четырехмерными и трехмерными векторами. Релятивистские импульс и энергия. Ускорение частицы в постоянном силовом поле. Зависимость скорости и координаты релятивистской частицы от времени при движении под действием постоянной силы.
Столкновения релятивистских частиц. Законы сохранения импульса и энергии системы релятивистских частиц. Энергия реакции. Распад частицы. Упругое столкновение двух частиц. Неупругое столкновение частиц. Порог реакции.
Неинерциальные системы отсчета
Уравнение движения материальной точки в неинерциальной системе отсчета. Силы инерции. Переход от инерциальной системы отсчета к системе отсчета, которая вращается с постоянной скоростью. Формулы преобразования координат. Вывод уравнений движения материальной точки во вращающейся системе отсчета. Сила Кориолиса. Центробежная сила. Влияние центробежной силы на величину ускорения свободного падения. Маятник Фуко.
Элементы механики сплошных сред
Поле скоростей. Линии тока. Трубка тока. Плотность потока массы. Поток вектора. Закон сохранения массы. Уравнение неразрывности. Гидростатика. Зависимость давления жидкости и газа от высоты.
Идеальная жидкость. Стационарное течение. Уравнение импульсов. Закон сохранения энергии. Уравнение Бернулли. Истечение жидкости из отверстия.
Внутреннее трение. Закон Ньютона. Течение вязкой жидкости между параллельными плоскостями. Течение вязкой жидкости между вращающимися цилиндрами. Течение вязкой жидкости в круглой трубе. Формула Пуазейля. Число Рейнольдса. Движение тел в жидкостях и газах. Гидродинамическое подобие. Идеально упругое тело. Упругие деформации и напряжения. Закон Гука. Пластические деформации.
Элементы аналитической механики
Функционал. Уравнение Эйлера. Принцип Ферма. Механическая система со связями. Обобщенные координаты. Принцип наименьшего действия. Уравнения Лагранжа. Обобщенные силы. Интегралы движения. Законы сохранения. Канонические уравнения Гамильтона.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Задачи классической электродинамики и границы ее применения
Постоянное электрическое поле в вакууме
Элементарный электрический заряд. Строение атома. Ионы. Закон сохранения заряда.
Взаимодействие двух точечных зарядов. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции для напряженности. Потенциал электрического поля. Принцип суперпозиции для потенциала. Градиент потенциала. Связь напряженности поля и потенциала.
Работа при перемещении заряда в постоянном электрическом поле. Циркуляция вектора напряженности постоянного электрического поля. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности. Энергия системы зарядов. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Гаусса. Применения теоремы Гаусса. Электрическое поле бесконечной равномерно заряженной плоскости. Электрические поля заряженных сферы, шара и цилиндра. Основные уравнения электростатики в интегральной и дифференциальной формах. Уравнения Пуассона и Лапласа. Энергия электрического поля. Плотность энергии электрического поля. Энергия электрического поля, создаваемого заряженным шаром.
Электрический диполь и создаваемое им электрическое поле. Электрическое поле точечного диполя. Электрическое поле системы зарядов на больших расстояниях.
Электрическое поле в диэлектриках
Полярные и неполярные молекулы. Электрический момент молекулы. Диполь Энергия диполя во внешнем электрическом поле. Момент сил, действующих на диполь. Диполь в неоднородном поле.
Поляризация диэлектрика. Свободные и связанные заряды. Поляризованность. Поверхностная плотность связанных зарядов и ее связь с вектором поляризованности. Поток вектора поляризованности. Теорема Гаусса для вектора поляризованности. Дивергенция вектора поляризованности и объемная плотность связанных зарядов.
Электрическая индукция. Теорема Гаусса для вектора электрической индукции. Дивергенция вектора электрической индукции и объемная плотность свободных зарядов. Диэлектрическая восприимчивость и проницаемость. Уравнения электростатики для диэлектриков в интегральной и дифференциальной формах. Электрическое поле заряженного шара из диэлектрика. Условия на границе раздела двух диэлектриков. Пьезоэлектричество. Пироэлектричество.
Проводники в постоянном электрическом поле
Электростатическая индукция. Индуцированные заряды. Распределение зарядов в изолированном проводнике. Электрическая емкость заряженного проводника. Емкость проводящего шара, окруженного однородным диэлектриком. Энергия заряженного проводника.
Конденсаторы. Емкость конденсатора. Плоский конденсатор. Емкость плоского конденсатора, заполненного однородным диэлектриком. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии. Плотность энергии и энергия поля в цилиндрическом и сферическом конденсаторах. Соединение конденсаторов.
Основная задача электростатики. Теорема единственности. Электрическое поле точечного заряда, расположенного около заземленной плоскости.
Электрический ток
Ток проводимости и конвективный ток. Вектор плотности тока. Сила тока. Закон сохранения заряда. Уравнение непрерывности. Закон Ома для участка цепи в дифференциальной и интегральной формах. Соединения проводников. Плотность конвективного тока в заряженном цилиндре, вращающемся вокруг собственной оси.
Сторонние силы. Работа сторонних сил при переносе носителя тока. Электродвижущая сила. Напряжение на неоднородном участке цепи. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Закон Ома для полной цепи. Правила Кирхгофа и пример их применения. Закон Джоуля — Ленца в дифференциальной и интегральной формах. Мощность тока.
Цепь, состоящая из конденсатора и проводника. Зависимость от времени тока в цепи и заряда на конденсаторе. Задача о токе утечки конденсатора.
Электрический ток в электролитах, газах и вакууме
Ток в электролитах. Законы Фарадея для электролиза. Вторичные реакции на электродах. Подвижность ионов и электропроводность растворов.
Гальванические элементы. Электрохимическая коррозия. Аккумуляторы. Топливные элементы.
Несамостоятельная и самостоятельная проводимость газов. Закон Пашена. Тлеющий, искровой и коронный разряды. Электрическая дуга. Плазма. Плазменные телевизионные экраны и дисплеи. Ток в вакууме. Автоэлектронная и взрывная эмиссия.
Действие магнитного поля на заряды и токи
Магнитное поле. Магнитная индукция. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в однородном и постоянном магнитном поле. Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. Эффект Холла. Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона.
Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент. Энергия контура и момент действующих на него сил Ампера. Действие неоднородного магнитного поля на контур с током.
Постоянное магнитное поле в вакууме
Закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции. Расчет индукции магнитного поля кругового тока на оси витка. Расчет индукции магнитного поля на оси соленоида конечной длины. Магнитное поле прямого отрезка с током.
Поток и циркуляция вектора магнитной индукции. Основные уравнения постоянного магнитного поля в интегральной форме. Магнитное поле бесконечно длинного соленоида. Магнитное поле прямого тока. Взаимодействие токов. Магнитное поле заряженного цилиндра, вращающегося вокруг собственной оси. Определение единицы силы тока в системе СИ. Дифференциальные уравнения постоянного магнитного поля.
Постоянное магнитное поле в веществе
Электрические токи в атомах и молекулах. Намагниченность вещества. Циркуляция вектора намагниченности. Напряженность магнитного поля. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Интегральные уравнения магнитного поля в веществе. Дифференциальные уравнения постоянного магнитного поля в веществе. Условия на границе раздела двух магнетиков. Магнитное поле заполненного веществом соленоида. Объяснение диамагнетизма и парамагнетизма. Теория ферромагнетизма. Магнитные цепи. Магнитное поле в ферромагнитном ярме с зазором. Сверхпроводимость.
Электромагнитная индукция
Закон Фарадея и правило Ленца. Электродвижущая сила в проводнике, движущемся в магнитном поле.
Самоиндукция. Электродвижущая сила самоиндукции. Индуктивность контура. Индуктивность соленоида. Энергия магнитного поле в заполненном веществом соленоиде. Плотность энергии магнитного поля. Токи Фуко. Индуктивность коаксиального кабеля. Взаимная индукция. Коэффициент взаимной индуктивности двух соосных соленоидов. Энергия магнитного поля двух соосных соленоидов с токами. Коэффициент взаимной индуктивности тороидальной катушки и проходящего по ее оси бесконечного прямого провода. Способы измерения магнитной индукции.
Электромагнитное поле
Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Плотность тока смещения. Плотность и поток энергии электромагнитного поля. Вектор Умова — Пойнтинга. Закон сохранения энергии в интегральной и дифференциальной формах.
Опыт Майкельсона. Инвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Лоренца. Формулы преобразования электрического и магнитного полей при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Относительность разделения электромагнитного поля на электрическое и магнитное поля. Скалярный и векторный потенциалы.
ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
Гармонические колебания
Периодическое движение. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний и его решение. Примеры гармонических осцилляторов: пружинный маятник, математический и физический маятник, идеальный колебательный контур.
Сложение однонаправленных гармонических колебаний. Векторные диаграммы. Биения. Сложение взаимоперпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.
Затухающие колебания. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Логарифмический декремент. Добротность. Понятие о связанных гармонических осцилляторах. Нормальные колебания (моды).
Вынужденные колебания при воздействии синусоидальной силы. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Амплитуда и фаза установившихся колебаний. Резонанс. Резонансная кривая. Вынужденные колебания в электрических целях. Метод комплексных амплитуд. Правила Кирхгофа для комплексных амплитуд. Активное и реактивное сопротивление. Мощность в цепи переменного тока. Параметрический резонанс. Действие периодических воздействий на гармонический осциллятор. Гармонический осциллятор как спектральный прибор. Модулированные колебания. Спектр амплитудно-модулированных колебаний.
Волновое движение. Волновые процессы. Плоская волна. Волны в упругой среде. Уравнение бегущей волны. Волновое число. Одномерное волновое уравнение. Фазовая скорость упругих волн в твердой среде.
Звуковые волны в газе. Скорость звука в газе. Эффект Допллера. Энергия упругой волны. Вектор Умова. Понятие об ударной волне. Стояние волны. Узлы, пучности. Колебания. Струны с закрепленными концами. Основной тон, обертоны. Волновой пакет. Групповая скорость. Плоские электромагнитные волны. Волновое уравнение — следствие уравнений Максвелла. Свойства электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга. Отражение электромагнитной волны от границы раздела двух сред. Потеря полуволны. Излучение диполь. Диаграмма направленности. Сферические волны. Эффект Допллера для электромагнитных волн.
Ангармонические колебания
Нелинейный осциллятор. Физические системы, содержащие нелинейность. Преобразование детектирование электрических колебаний. Автоколебания. Обратная связь. Регенерация. Условие возбуждения колебаний. Роль нелинейности. Фазовая прочность генератора. Предельные циклы. Понятие о релаксационных колебаниях.
Интерференция и дифракция волн.
Принцип суперпозиции для волн. Когерентность. Временная и пространственная когерентность. Интерференция света от двух точечных источников. Зеркала Френеля. Бипризма Френеля. Многолучевая интерференция. Интерферометры.
Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Векторные диаграммы. Зоны Френеля. Дифракция света на диске и круглом отверстии. Дифракция на крае полуплоскости.
Дифракция Фраунгофера. Дифракция света на щели. Дифракционная решетка. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Дифракция на пространственных структурах. Понятие голографии.
Поляризация света
Эллиптическая и линейная поляризация электромагнитной волны. Волна, поляризованная по кругу. Естественный, поляризованный и частично поляризованный свет. Степень поляризации. Поляризация света при отражении и преломлении. Угол Брюстера. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Закон Малюса. Интерференция поляризованных лучей. Искусственная оптическая анизотропия.
Взаимодействие электромагнитных волн с веществом
Дисперсия света. Электронная теория дисперсии. Групповая скорость волны. Поглощение света и рассеяние света. Волноводы. Эффект Вавилова-Черенкова. Электрооптические и магнитооптические явления. Нелинейная оптика. Самофокусировка света. Генерация гармоник. Параметрические процессы. Обращение волнового фронта. Получение сверхкоротких световых импульсов.
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Противоречие классической физики. Законы равновесного теплового излучения. Закон Кирхгофа. Формула Планка. Закон Стефана — Больцмана. Закон смещения Вина. Принцип минимального воздействия в природе. Постоянная Планка.
Боровская модель атома водорода
Спектр излучения атома водорода. Формула Бальмера. Спектральные серии. Планетарная модель атома. Опыты Франка и Герца. Постулаты Бора. Теория водородоподобного иона. Спектр энергий электрона. Испускание и поглощение света атомом.
Фотоны
Фотоны. Импульс и энергия фотона. Законы фотоэффекта. Тормозное рентгеновское излучение. Эффект Комптона. Давление света. Опыты Лебедева.
Корпускулярно-волновой дуализм
Гипотеза де Броля. Дифракция электронов и нейтронов в кристаллах. Прохождение микрочастиц через щель. Соотношение неопределенностей. Оценка энергии основного состояния атома водорода и энергия нулевых колебаний осциллятора. Туннельный эффект. Набор одновременно измеряемых величин.
Уравнение Шредингера
Волновая функция и ее смысл. Плотность вероятности. Операторы в квантовой механике. Операторы координаты, импульса, кинетической и потенциальной энергий. Оператор Гамильтона. Среднее значение физической величины. Уравнение Шредингера. Волна де Бройля как решение уравнение Шредингера для свободной частицы. Соотношение неопределенностей. Собственные функции и собственные значения. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Спектр энергий.
Задачи квантовой механики
Уравнение Шредингера для свободной частицы. Частица в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Падение частицы на односторонний прямоугольный потенциальный барьер. Туннельный эффект. Коэффициенты отражения и прохождения. Падение частицы на двухсторонний прямоугольный потенциальный барьер. Частица в ящике с непроницаемыми стенками. Гармонический осциллятор. Волновая функция осциллятора в основном состоянии. Нулевые колебания.
Ангармонический осциллятор. Потенциал Морзе. Энергетический спектр ангармонического осциллятора (колебательная энергия двухатомной молекулы). Энергия диссоциации двухатомной молекулы.
Движения в центральном поле. Оператор момента импульса. Собственные функции и собственные значения оператора проекции момента импульса. Собственные функции и собственные значения оператора момента импульса. Частица в центрально-симметрическом поле (атом водорода).
Атом
Атом водорода в квантовой механике. Спектр энергий электрона. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации атома. Пространственное распределение плотности вероятности для электрона. Модуль и проекция на направление магнитного поля орбитального момента импульса электрона. Пространственное квантование. Квантовые числа. Гиромагнитное отношение. Спин электрона. Многоэлектронные атомы. Состояния электрона в атоме и их характеристики. Электронные оболочки и слои. Принцип Паули. Число состояний. Электронные конфигурации. Периодическая система элементов Менделеева. Векторная модель атома. Опыт Штерна и Герлаха. Эффект Зеемана. Параметрический резонанс. Структура энергетических уровней многоэлектронных атомов. Рентгеновские спектры атомов. Закон Мозли.
Молекула
Химическая связь. Ионная и ковалентная связи. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия двух атомов от расстояния между ними. Ион молекулы водорода. Приближенное решение стационарного уравнения Шредингера для молекулы водорода. Расщепление уровня энергии. Связующая и разрыхляющая орбитали. Молекула водорода. Энергия двухатомной молекулы. Электронная, колебательная и вращательная энергии молекулы. Комбинационное рассеяние света.
Элементы квантовой электроники
Стационарные состояния электронов и квантовые переходы. Кинетика квантовых переходов. Спонтанное и вынужденное испускание фотонов. Принцип детального равновесия. Формула Планка. Прохождение излучения через вещество. Инверсная населенность уровней. Резонаторы. Квантовые усилители и генераторы. Приложения квантовой электроники.
Физика атомного ядра и элементарных частиц
Состав и характеристики атомных ядер. Самопроизвольный распад частицы. Условие самопроизвольного распада. Энергия связи. Удельная энергия связи. Капельная модель ядра. Зависимость удельной энергии связи от массового числа. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Ядерные реакции. Энергия реакции. Деление тяжелых ядер. Атомный реактор. Реакции термоядерного синтеза. Виды взаимодействий. Классы элементарных частиц. Частицы и античастицы. Единая теория взаимодействий.
ТЕРМОДИНАМИКА. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Феноменологическая термодинамика
Макроскопические системы. Состояния и процессы. Функции состояния. Равновесный процесс. Первое начало термодинамики. Теплота. Работа, совершаемая веществом при изменении объема. Энтропия. Второе начало термодинамики. Теорема Нернста. Теплоемкость. Циклические процессы. КПД тепловой машины.
Термодинамические потенциалы. Свободная энергия. Уравнение Гиббса — Гельмгольца. Принцип убывания свободной энергии. Термодинамические потенциалы системы с переменным числом частиц. Химический потенциал. Термодинамический потенциал Гиббса. Условия равновесия фаз. Термодинамика равновесного теплового излучения. Химический потенциал равновесного теплового излучения.
Элементы статистической физики
Вероятность. Условие нормировки. Плотность вероятности. Среднее значение случайной величины. Микросостояния макросистемы. Статистическое описание микросостояний макросистемы. Внутренняя энергия макросистемы и ее энтропия как функционалы функции распределения. Статистический смысл энтропии. Статистический вес макросостояния. Формула Больцмана. Каноническое распределение Гиббса. Обратная температура. Постоянная Больцмана. Статистическая сумма.
Многомерная случайная величина. Статистическая независимость. Функция распределения. Флуктуации. Флуктуации энергии макросистемы. Каноническое распределение Гиббса. Статистический смысл свободной энергии и энтропии. Большое каноническое распределение. Статистический смысл термодинамических потенциалов систем с переменным числом частиц. Большая статистическая сумма.
Термодинамика идеального газа
Уравнение состояния идеального газа. Закон Дальтона. Средняя энергия молекулы. Внутренняя энергия идеального газа. Теплоемкость идеального газа при постоянном объеме. Экспериментальная зависимость теплоемкости двухатомного газа от температуры. Число степеней свободы молекулы. Равнораспределение энергии ПО степеням свободы. Изобарический процесс. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении. Изотермический процесс. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. Показатель адиабаты. Энтропия идеального газа. Энтропия идеального газа и второе начало термодинамики. Барометрическая формула. Экспериментальное определение постоянной Больцмана и числа Авогадро. Цикл Карно и его КПД.
Функции распределения и явления переноса в газах
Кинетическая теория равновесного идеального газа. Распределение Максвелла по вектору и модулю скорости. Средняя скорость. Экспериментальная проверка распределения Максвелла. Распределение Максвелла-Больцмана. Распределение Больцмана. Неравновесные состояния газа. Локальное термодинамическое равновесие. Средняя длина свободного пробега молекулы. Плотность потока молекул. Диффузия газов. Закон Фика. Вязкость газов. Закон Ньютона. Теплопроводность газов. Закон Фурье. Коэффициенты вязкости, диффузии и теплопроводности. Диффузия во внешнем силовом поле. Подвижность частицы и ее связь с коэффициентом диффузии. Перекрестные эффекты.
Реальные газы
Межмолекулярное взаимодействие. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия реального газа. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса. Критическая точка. Процесс Джоуля — Томсона.
Равновесие фаз и фазовые переходы
Фазы вещества. Равновесие между фазами. Кривая сосуществования фаз. Изотермы реального газа. Динамическое равновесие между паром и жидкостью. Кинетика испарения и конденсации. Удельная теплота испарения. Критическая температура. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса. Давление пара над жидкостью. Диаграмма состояний вещества. Фазовые переходы второго рода.
Явления на поверхности жидкости
Объемная и поверхностная энергия жидкости. Поверхностное натяжение. Коэффициент поверхностного натяжения. Объемная и поверхностная свободная энергия жидкости. Удельная теплота образования поверхности. Явления на границе раздела двух жидкостей. Явления на границе твердого тела и жидкости. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа.
Квантовые газы
Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Идеальный Ферми-газ. Распределение Ферми ~ Дирака. Энтропия идеального Ферми-газа. Принцип Нернста. Сверхтекучесть. Распределение Бозе-Эйнштейна
Электрические свойства твердых тел
Зонная теория электронных спектров. Функция Блоха. Функция Ферми — Дирака. Энергия Ферми. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Теория свободных электронов в металлах. Волновая функция. Спектр волновых чисел. Плотность состояний. Функция распределения электронов по состояниям. Средняя энергия одного электрона. Электропроводность металлов. Куперовские пары. Сверхпроводимость.
Собственная проводимость полупроводника. Примесныез полупроводники. Р-n-переход. Транзистор. Эффект Джозефсона и его применение. Захват и квантование магнитного потока. Высокотемпературная сверхпроводимость.
Тепловые свойства твердых тел
Теплоемкость. Закон Дюлонга и Пти. Теория Эйнштейна. Теория Дебая. Зависимость от температуры внутренней энергии кристаллической решетки и ее теплоемкости. Теплоемкость электронного газа в металлах. Тепловое расширение твердых тел.
Диэлектрики
Изотропные и анизотропные диэлектрики. Поляризуемость. Локальная напряженность электрического поля. Напряженность электрического поля внутри сферической полости в однородно поляризованном диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков. Формула Клаузиуса — Мо-сотти. Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков. Функция Ланжевена. Закон Кюри — Вейсса. Температура Кюри. Сегнетоэлектрики. Электрострикция. Пьезоэлектрический эффект. Электрокалорический эффект.
Магнетики
Пара-, диа-, ферро-, аннтиферромагнетики. Элементы Теории ферромагнетизма. Закон Кюри-Вейсса. Точка Кюри. Доменная структура. Внутренняя и свободная энергия магнетиков в магнитном поле. Магнитострикция ферромагнетиков. Магнитный метод охлаждения.
Порядок и беспорядок в природе
Энтропия как количественная мера хаотичности. Принцип возрастания энтропии. Переход от порядка к беспорядку в состоянии теплового равновесия. Роль фазовых переходов. Ближний и дальний порядок. Координационный и ориентационный порядки. Возникновение дальнего порядка. Жидкие кристаллы. Кристаллическая решетка. Структурное упорядочение кристаллов. Понятие о магнитном порядке. Неупорядочные макросистемы.
Макросистемы вдали от равновесия. Открытые диссипативные системы. Появление самоорганизации в открытых системах и превращение флуктуаций в макроскопические эффекты. Роль нелинейности. Понятие о дифракциях. Идеи синергетики. Периодическии химические реакции и биоритмы. Динамический хаос. Самоорганизация в живой и неживой природе.
ИЕРАРХИЯ СТРУКТУР МАТЕРИИ
Частицы и античастицы. Физический вакуум. Стандартная модель элементарных частиц. Кварки, лептоны и кванты фундаментальных полей. Фундаментальные взаимодействия. Адронн. Большой адронный колрайдер. Ядра атомов, атомы, молекулы. Макроскопическое состояние вещества: газы, жидкости, твердые тела, плазма. Планеты. Звезды. Вещество в экстремальных условиях: белые карлики, нейтронные дыры, горные дыры. Галактики. Большой взрыв и эволюция Вселенной.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Квантовый компьютер. Квантовые полупроводниковые структуры в электронике. Лазеры на квантовых ямах. Лазерная запись информации. Современные оптические системы отображения информации. Наноматериалы. Полупроводниковые наноструктуры. Квантовые ямы. Магнитные наноструктуры. Молекулярные наноструктуры фуллерсноподобные материалы. Конструкционные наноматериалы. Наноэлектроника. Нано- и микроэлектромеханика. Наноэлектромеханические приборы и системы.