Кафедра загальної фізики

[RE-101] Загальна фізика. Частина 2

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освітиПерший (бакалаврський)
Галузь знань-
Спеціальність
Освітня програма172Б РТС - Радіотехнічні інформаційні технології (ЄДЕБО id: 6842)172Б РОС - Радіозв’язок і оброблення сигналів (ЄДЕБО id: 6364)172Б ІТР - Інтелектуальні технології радіоелектронної техніки (ЄДЕБО id: 49229)172Б ІТМР - Інтелектуальні технології мікросистемної радіоелектронної техніки (ЄДЕБО id: 5627)172Б ІКР - Інформаційна та комунікаційна радіоінженерія (ЄДЕБО id: 49228)172Б РКС - Радіотехнічні комп'ютеризовані системи (ЄДЕБО id: 49227)172Б ІТР+ - Інтелектуальні технології радіоелектронної техніки (ЄДЕБО id: 57907)172Б ІКР+ - Інформаційна та комунікаційна радіоінженерія (ЄДЕБО id: 57910)172Б РКС+ - Радіотехнічні комп'ютеризовані системи (ЄДЕБО id: 57920)
Статус дисципліниНормативна
Форма здобуття вищої освітиОчна
Рік підготовки, семестр1 курс, осінній семестр
Обсяг дисципліни8 кред. (Лекц. 72 год, Практ. 36 год, Лаб. 18 год, СРС. 114 год )
Семестровий контроль/контрольні заходиЕкзамен
Розклад занятьhttps://rozklad.kpi.ua
Мова викладанняУкраїнська
Інформація про керівника курсу / викладачів Лекц.: Репалов І. М.,
Практ.: Репалов І. М.,
СРС.: Репалов І. М.
Розміщення курсуhttps://do.ipo.kpi.ua/course/view.php?id=486

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Опис дисципліни. Фізика – наука про природу, про найбільш фундаментальні закономірності руху матерії, її будову, властивості та взаємодію; базується на встановленні та поясненні законів, за якими відбуваються процеси та явища навколишнього світу. Передбачено контроль якості отриманих знань у вигляді тестових, розрахункових та модульної контрольних робіт.

Предмет навчальної дисципліни: Загальна фізика.

Міждисциплінарні зв’язки. Основні положення дисципліни повинні бути використані в подальшому при вивченні всіх технічних дисциплін, таких як:

  • Основи теорії кіл;
  • Загальна теорія зв'язку;
  • Електромагнітні поля і хвилі;
  • Електродинаміка та поширення радіохвиль;
  • Основи теорії телекомунікацій та радіотехніки
  • Мікрохвильові прилади та пристрої;
  • Квантові та оптоелектронні прилади та пристрої.

Мета навчальної дисципліни.

Метою навчальної дисципліни  є формування у студентів наступних компетенцій:

  • здатністю до логічно правильного мислення, узагальнення, аналізу, сприйняття інформації, постановці мети і правильному вибору шляхів її досягнення, вміти логічно вірно, аргументовано і ясно будувати усну і письмову мову,
  • здатністю самостійно застосовувати методи і засоби пізнання, навчання та самоконтролю для придбання нових знань і вмінь,
  • оформляти, представляти і доповідати результати виконаної роботи,
  • здатністю уявити адекватну сучасному рівню знань наукову картину світу на основі знання основних положень і законів, застосовувати основні принципи і закони класичної та сучасної фізики,
  • оперувати фундаментальними фізичними поняттями та законами при вирішенні фізичних задач,
  • застосовувати базовий матеріал для подальшого вивчення дисциплін циклу професійно-практичної підготовки.

Основні завдання навчальної дисципліни

Згідно з вимогами освітньо-професійної програми, після засвоєння навчальної дисципліни студенти мають:

знати:

  • основні методи фізичного дослідження;
  • основні закони класичної і сучасної фізики;
  • межі застосування різних фізичних понять, законів, теорій.

вміти:

  • застосовувати фізичні закони для вирішення практичних завдань;
  • оцінювати ступінь достовірності результатів, отриманих за допомогою експериментальних або теоретичних методів дослідження;
  • експериментально досліджувати, якісно і кількісно оцінювати основні фізичні явища;
  • правильно використовувати загальнонаукову та спеціальну термінологію.

володіти:

  • навичками практичного застосування законів фізики;
  • досвідом проведення фізичного експерименту та обробки його результатів;
  • навичками використання стандартних методів і моделей для розв’язання конкретних фізичних задач;
  • навичками самостійного здобування знань, використовуючи традиційні і сучасні освітні та інформаційні технології;
  • методами підходу до вирішення задач, що постають в процесі професійної діяльності, обираючи методи дослідження на основі наукового світогляду.

Загальні компетенції

ЗК 04 - Здатність розуміти предметну область та професійну діяльність.

ЗК 07 - Здатність вчитися і отримувати сучасні знання.

ЗК 08 - Здатність виявляти, ставити та вирішувати проблеми.

Програмні результати навчання:

ЗН 01 - Знання сучасних наукових уявлень про навколишній фізичний світ, філософських основ пізнання природних та технічних об’єктів, процесів які протікають в природних та техногенних системах, етичних основ науково-технічної та виробничої діяльності.

ЗН 02 - Знання основних положень дисциплін природничого-наукового блоку підготовки за спеціальністю, достатніх для розв’язання фахових завдань діяльності.

ЗН 06 - Знання основ застосування фізико-математичного апарату для аналізу процесів у телекомунікаційних та радіотехнічних пристроях і системах.

УМ 04 - Уміння пояснювати результати, які отримані в ході проведення вимірювань, в термінах і їх значеннях та зіставити їх із відповідною теорією.

УМ 06 - Уміння грамотно застосовувати термінологію в галузі телекомунікацій та радіотехніки.

УМ 12 - Уміння застосовувати фундаментальні і прикладні науки для аналізу та розробки процесів, що відбуваються в телекомунікаційних та радіотехнічних системах.

2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Пререквізити:

  • математика в обсязі середньої школи і 1 семестру,
  • фізика в обсязі програми середньої школи і 1 семестру.

Постреквізити:

  • Знання сучасних наукових уявлень про навколишній фізичний світ, філософських основ пізнання природних та технічних об’єктів, процесів які протікають в природних та техногенних системах, етичних основ науково-технічної та виробничої діяльності,
  • Знання основних положень дисциплін природничого-наукового блоку підготовки за спеціальністю, достатніх для розв’язання фахових завдань діяльності,
  • Знання основ застосування фізико-математичного апарату для аналізу процесів у телекомунікаційних та радіотехнічних пристроях і системах,
  • Уміння пояснювати результати, які отримані в ході проведення вимірювань, в термінах і їх значеннях та зіставити їх із відповідною теорією,
  • Уміння грамотно застосовувати термінологію в галузі телекомунікації та радіотехніки,
  • Уміння застосовувати фундаментальні і прикладні науки для аналізу та розробки процесів, що відбуваються в телекомунікаційних та радіотехнічних системах.  

Загальна фізика є основою для :

ЗО 17 Основи теорії кіл

ЗО 18 Електродинаміка та поширення радіохвиль

ЗО 19 Основи теорії телекомунікації та радіотехніки

3. Зміст навчальної дисципліни

Розділ 3. Електрика та магнетизм.

3.1 Потенціальне електростатичне поле.

3.2 Електростатичне поле при наявності діелектриків.

3.3 Електроємність. Енергія електричного поля.

3.4 Постійний електричний струм.

3.5 Стаціонарне магнітне поле.

3.6 Закон електромагнітної індукції.

3.7 Змінний електричний струм.

3.8. Електромагнітні коливання.

3.9. Рівняння Максвелла

3.10 Рух заряджених частинок в електромагнітному полі.

Розділ 4. Квантова фізика.

4.1 Квантова механіка.

4.2 Наближена модель атома в квантовій механіці.

4.3 Фізика твердого тіла.

4. Навчальні матеріали та ресурси

Базова література

  1. Кучерук ІМ., Горбачук І.І., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Оптика. Квантова фізика.- К: Техніка, 1999.
  2. Кучерук ІМ., Горбачук І.І. Загальний курс фізики. Електрика і магнетизм. - К: Техніка, 2001.
  3. Загальна фізика. Електрика і магнетизм. Збірник задач для студентів технічних спеціальностей. В.П. Бригинець, О.О. Гусєва, О.В. Дімарова та ін. – Київ. НТУУ КПІ. 2011. - 52 с.
  4. Загальна фізика. Оптика. Квантова фізика. Молекулярна фізика. Збірник задач для студентів технічних спеціальностей. В.П. Бригинець, О.О. Гусєва, О.В. Дімарова та ін. – Київ. НТУУ КПІ. 2010. - 50 с.
  5. В. П. Бригінець, О. О. Гусєва. Розрахункова робота: «Електричне поле зарядів у вакуумі».

Допоміжна література

  1. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы.- М: Лаборатория Базових Знаний, 2000.
  2. Иродов И.Е. Волновые процессы.- М. : Лаборатория Базових Знаний, 1999
  3. Иродов И.Е. Квантовая физика.- М. : Лаборатория Базових Знаний, 2001.
  4. Сивухин Д. В. Общий курс физики. - М. : Наука, 1977 -1986, тт. 1-5.
  5. Иродов И. Е. Задачи по общей физике. - М. : Наука, 1988.
  6. Черкашин В.П. Лабораторний практикум по физике (электричество и магнетизм).- К. : Вища школа, 1988.
  7. Методические указания к лабораторному практикуму по физике (Оптика). Сост. Бригинец В.П., Гриб Б.Н., Гусєва О.А. и др.- К. : КПИ, 1989.
  8. Савельев И. В. Курс физики. – М. : Наука, 1989, т.т.1,2,3.
  9. Сивухин Д. В. Общий курс физики. – М. : Наука, 1977 - 1986, т.т. 1,3,4
  10. Берклеевский курс физики. - М. : Наука, 1975 - 1977, тт. 1-5.
  11. Фейнман Р., Лейтон Р., Сзндс. Фейнмановские лекции по физике. - М. : Мир, 1977.

Інформаційні ресурси

  1. 1. http://zitf.kpi.ua/
  2. 2. http://campus.kpi.ua/tutor/index.php
  3. 3. YouTube канал Репалова І. М.

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Лекційні заняття

Назва, теми лекції та перелік основних питань

Тема 3.1. Потенціальне електростатичне поле.

Лекція 1-2. Електричний заряд і його фізичні властивості. Густина електричного заряду. Точкови заряди. Електричний струм і щільність струму. Співвідношення між густиною заряду і густиною струму.

Закон Кулона. Напруженість електростатичного поля. Принцип суперпозиції для напруженості.  Польове трактування закону Кулона.

Поняття про потік векторного поля і дивергенції вектора. Формула Остроградського-Гауса. Силові лінії поля, його джерела і стоки. Теорема Гауса в інтегральній і диференціальній формах.

Потенціальна енергія взаємодії точкових зарядів. Потенціал електростатичного поля і його властивості. Умова потенціальності. Принцип суперпозиції для потенціалів.

Рівняння Лапласа і Пуасона для скалярного потенціалу. Граничні умови для поля на поверхні. Електростатичний захист.

Тема 3.2. Електростатичне поле при наявності діелектриків.

Лекція 3-4. Діпольний момент.  Потенціал  і  напруженість   поля діполя. Електричний діполь у зовнішньому полі.

Поляризація речовини. Зв'язані заряди. Полярні і  неполярні молекули. Вектор індукції електричного поля D і його граничні умови.

 

Тема 3.3. Електроємність провідника.

Лекція 5. Одиниця виміру ємності. Конденсатор. Заряд, енергія і ємність конденсатора. Ємність батареї конденсаторів. Типи конденсаторів і їхня ємність.

 

Тема 3.4. Постійний електричний струм.

Лекція 6-8. Сторонні сили і ерс. Закон Ома для ділянки ланцюга і для повного ланцюга. Інтегральна і диференціальна форма закону Ома.  Питомий опір і електропровідність.

Закон  збереження енергії для електромагнітного поля. Джоулево тепло.

Закон збереження заряду. Рівняння безперервності. Струм провідності і струм зміщення. Фізична природа струму зміщення.

Тема 3.5. Стаціонарне магнітне поле.

Лекція 9-11. Закон Био-Савара. Магнітне поле заряду, що рухається. Поле об'ємних і лінійних струмів. Взаємодія паралельних провідників із струмом. Сила Ампера. Одиниця виміру сили струму в СІ.

Закон повного струму. Поняття про циркуляцію вектори. Ротор вектора. Формула Стокса. Закон повного струму в інтегральній і диференціальній формах. Поле соленоіда.

Рівняння магнитостатики. Граничні умови для магнітного поля і струму. Поле контуру зі струмом.

Магнітний діполь. Поле контуру зі струмом. Магнітний діпольний момент. Контур із  струмом у зовнішньому полі.

Магнітне поле в речовині. Магнетики. Намагничення речовини. Діа-, пара- і феро-магнетизм. Магнітна сприйнятливість і проникність речовини. Вектор напруженості магнітного поля і його граничні умови.

Тема 3.6. Закон електромагнітної індукції.

Лекція 12-14. Електрорушійна сила. Інтегральна і диференціальна форма закону електромагнітної індукції. Правило Ленца.

Явище самоіндукції. Індуктивність провідника. Ерс самоіндукції. Енергія провідника зі струмом. Струм при замиканні і розмиканні RL - кола.

Явище взаємної індукції. Коефіцієнт взаємоіндукції. Ерс взаємоіндукції. Струм при замиканні і розмиканні CL- кола.

Тема 3.7. Змінний електричний струм.

Лекція 15-17. Квазістаціонарний струм. Закон Ома для змінного струму.  Імпеданс. Векторна діаграма для напруги на R,L і С. Закони Кірхгофа для змінного струму.  Активний та реактивний опір. Потужність у ланцюзі  змінного струму. Діючі значення струму і напруги.

Передача енергії по проводу. Передача енергії по кабелю.

Тема 3.8. Вільні електромагнітні коливання.

Лекція 18-20. Гармонічні коливання в контурі.

Види коливань. Вільні та вимушені коливання. Гармонічні коливання. Коливальний контур. Коливання в ідеальному контурі, власна частота контуру. Енергія коливань в ідеальному контурі.

Вільні коливання в контурі із загасанням. Вільні загасаючі коливання в контурі, частота загасаючих коливань. Характеристики  загасання. Дисипація енергії в контурі.

Вимушені електричні коливання.

Вимушені коливання в контурі при синусоїдальному впливі. Амплітуда й фаза вимушених коливань. Резонансні криві.

Тема 3.9. Рівняння Максвелла.

Лекція 21-24. Вихрове електричне поле та струм зміщення.

Рівняння Максвелла. Фундаментальні та матеріальні рівняння. Плоскі електромагнітні хвилі. Монохроматична хвиля. Хвильове рівняння. Фазова швидкість хвилі. Властивості плоских хвиль. Поширення електромагнітної хвилі в діелектрику. Вектор Пойнтінга, інтенсивність електромагнітної хвилі.

Поширення електромагнітної хвилі в провіднику. Рівняння Максвела для хвиль у провіднику і їхній розв’язок у вигляді плоских хвиль. Дисперсійне рівняння. Скін-ефект.

Тема 3.10. Рух заряджених частинок в електромагнітному полі.

Лекція 25-26. Рух заряду в однорідному електричному полі.Рух в однорідному магнітному полі. Циклотронная частота.  Рух у схрещених полях. Дрейф  частинок.  Прискорювачі  заряджених  частинок.  Принципи роботи.

Тема 4.1. Основи квантової механіки.

Лекція 27-30. Хвильові властивості частинок речовини.

Гіпотеза де-Бройля. Дифракція електронів. Квантовий опис стану мікрочастинки. Хвильова функція, її ймовірностний зміст і властивості.

Принцип невизначеності, співвідношення Гайзенберга. Оціночні розрахунки за допомогою співвідношень Гайзенберга. Пояснення тунельного ефекту. Межі класичного способу опису.

Часове та стаціонарне рівняння Шрьодінгера. Стаціонарні стани. Частинка в потенціальному ящику. Гармонічний осцилятор. Проходження частинки під потенціальним бар'єром (тунельний ефект). Тунельні явища.

Тема 4.2. Наближена модель атома в квантовій механіці.

Лекція 31-32. Квантові стани атома водню.

Частинка у сферично симетричному полі, зв'язані та незв'язані стани. Рівняння Шрьодінгера для атома водню та воднево-подібних іонів. Стаціонарні стани та квантові числа. Енергетичні рівні та оптичний спектр атома водню.  Квантування  моменту  імпульсу та його  проекції.  Виродження  енергетичних рівнів і електронні переходи в атомі водню.

Тема 4.3. Фізика твердого тіла.

Лекція 33-36. Кристали. Типи кристалічних граток. Теорія вільних електронів у металі.

Зонна теорія твердих тіл. Енергія і рівень Фермі. Метали, напівпровідники, діелектрики. Власна і домішкова електропровідність напівпровідників. p-n і n-p-n переходи.

Контактна різниця потенціалів. Ефект Хола. Термоемисія. Ефекти Зеєбека і Пельтьє.

Практичні заняття

№

Назва теми заняття та перелік основних питань

1

Обчислення електричних полів за принципом суперпозиції.

2

Потенціал електричного поля.

3

Обчислення електричних полів за теоремою Гауса.

4

Електричне поле в діелектриках та провідниках.

5

Конденсатори. Енергія електричного поля.

6

Електричні кола постійного струму. Закон Джоуля.

7

Розгалужені кола, правила Кірхгофа.

8

Обчислення магнітних полів за законом Біо-Савара.

9

Обчислення магнітних полів за теоремою про циркуляцію.

10

Електромагнітна індукція.

11

Самоіндукція. Енергія магнітного поля.

12

Квазістаціонарні струми.

13

Перехідні процеси.

14

Електричні коливання.

15

Вільні та вимушені електричні коливання.

16

Рівняння Максвела.

17

Електромагнітні хвилі.

18

Рух заряду в електричному і магнітному полях.

 

Лабораторні заняття

  1. Вивчення розподілу потенціалу і напруженості електростатичного поля.
  2. Вивчення балістичного гальванометра.
  3. Вивчення термо-ЕРС.
  4. Визначення питомого заряду електрона методом магнетрона.
  5. Вивчення магнітного поля електромагніта.
  6. Дослідження загасаючих коливань у коливальному контурі.
  7. Вивчення вимушених коливань у коливальному контурі.

 

6. Самостійна робота студента

Розрахункова робота:

З метою підвищення якості засвоєння навчального матеріалу та вироблення початкового досвіду інженерних розрахунків передбачено виконання розрахункової роботи (РР) на тему: «Електричне поле зарядів у вакуумі».

Політика та контроль

7. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Система вимог, які ставляться перед студентом:

  • відвідування лекційних та практичних занять є обов’язковою складовою вивчення матеріалу;
  • на лекції викладач користується власним презентаційним матеріалом; використовує гугл-диск та платформу дистанційного навчання "Сікорський" для викладання матеріалу поточної лекції, додаткової інформації, завдань до практичних робіт та інше;
  • питання на лекції задаються у відведений для цього час;
  • для захисту практичної або розрахункової роботи необхідно розв’язати відповідні задачі та відповісти на запитання щодо рішення;
  • модульні контрольні роботи пишуться на практичних заняттях без застосування допоміжних засобів (мобільні телефони, планшети та ін.);
  • заохочувальні бали виставляються за: самостійне оригінальне рішення задач практичних заняттях; участь у факультетських та інститутських олімпіадах з навчальних дисциплін, участь у конкурсах робіт, сертифікати проходження дистанційних чи онлайн курсів. Кількість заохочуваних балів не більше 10;
  • штрафні бали виставляються за: списування модульної контрольної або розрахункової робіт. Кількість штрафних балів не більше 10

8. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Рейтинг студента денної форми навчання складається з балів, що він отримує за:

  1. модульну контрольну роботу;
  2. розрахункову роботу;
  3. роботу на практичних заняттях;
  4. відповідь на екзамені;
  5. заохочувальні та штрафні бали.

Система рейтингових балів та критерії оцінювання

Розрахункова робота:

Ваговий бал розрахункової роботи = 10 при таких критеріях оцінювання:

  • 0 балів - робота не подана протягом місяця після встановленого терміну (не зараховано);
  • 1 - 2 бали - робота містить грубі помилки в кожному завданні (не зараховано);
  • 3 - 4 балів - робота містить грубі помилки, котрі вимагають її переробки (не зараховано);
  • 5 - 7 балів - робота містить окремі суттєві помилки, але не потребує повної переробки (зараховано);
  • 8 - 10 балів - робота виконана в цілому вірно, не має суттєвих вад і зауважень (зараховано).

Практичні завдання:

Сумарний ваговий бал за практичні зайняття протягом семестру складає 20 балів при таких критеріях оцінювання:

  • 0 балів - повна неготовність до заняття (відсутність елементарних знань по темі заняття);
  • 1– 2 бали  - незадовільна підготованість до заняття;
  • 3 бали - задовільна підготованість до заняття;
  • 4 бали - добра підготованість до заняття;
  • 5 бали - відмінна підготованість до заняття.

Модульні контрольні роботи:

  • 0 балів - не виконано жодного завдання;
  • 2 бали - виконано менше 20 % завдань;
  • 5 балів - виконано не менше 30 % завдань;
  • 8 балів - виконано не менше 50 % завдань;
  • 10 балів - виконано не менше 70 % завдань;
  • 15 балів - виконано не менше 85 % завдань.
  • 20 балів - виконано 100 % завдань.

Заохочувальні бали

за виконання творчих робіт з кредитного модуля (наприклад, участь у факультетських та інститутських олімпіадах з навчальних дисциплін, участь у конкурсах робіт, сертифікати проходження дистанційних чи онлайн курсів, за активну роботу на практичному занятті, але в сумі не більше 10.

Рейтингова шкала з дисципліни (денна форма навчання) RD =100 балів і утворюється із сумарного вагового балу за роботу в семестрі (стартовий рейтинг) RC та екзаменаційної складової RЕ :

RD = RC + RE

Згідно з викладеним у попередніх пунктах

RC = Rпр + Rрр + Rмкр = 50 балів+ (Rз - Rш), де

Rпр – бал за практичне завдання (0…20);

Rмкр  – бал за написання МКР (0…20);

Rрр – бал за написання розрахункової роботи (0…10);

Rз – заохочувальні бали (0…10);

Rш – штрафні бали (0…10).

Екзаменаційна складова становить 50% рейтингової шкали і становить RE = 50 балів.

Система оцінювання знань на екзамені:

  • відповіді на всі завдання екзаменаційного білета відсутні або містять грубі помилки й не задовольняють мінімальному необхідному рівню засвоєння матеріалу          0 - 9 бали;
  • дані загалом правильні відповіді не менше, ніж на 25% завдань білета        10 - 19 балів
  • дані загалом правильні відповіді не менше, ніж на 50% завдань білета        20 - 29 балів
  • дані правильні відповіді не менше, ніж на 75% завдань білета                       30 – 39 балів
  • дані вичерпні аргументовані відповіді на всі завдання білета                         40 – 50 балів

Умови допуску до екзамену:

Студент допускається до екзамену, якщо він:

  • має стартовий рейтинг RC > 0,5 RC , тобто RC >25 балів;
  • має зараховану розрахункову роботу;
  • має хоча б одну позитивну семестрову атестацію.
Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою
Кількість балівОцінка
100-95Відмінно
94-85Дуже добре
84-75Добре
74-65Задовільно
64-60Достатньо
Менше 60Незадовільно
Не виконані умови допускуНе допущено

9. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

...
Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни

Лабораторії, обладнання, програграмне забезпечення, опис макетів для проведення лабораторних робіт та їх кількість



Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено Репалов І. М.;
Ухвалено кафедрою ЗФ (протокол № від )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № ______ від ______)