Примерная программа дисциплины теоретическая физика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель Департамента

образовательных программ и стандартов

профессионального образования

______________________Л.С.Гребнев

"_05_" ____ноября___ 2001г.

ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки

дипломированных специалистов 651800 Физическое материаловедение

Москва 2001г.

1.Цели и задачи дисциплины

Научить основным понятиям, законам и методам классической механики, теории упругости, термодинамики, кинетики, электродинамики, квантовой механики, статистической физики.

2.Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Уметь анализировать физическую картину механического движения материальных точек и твёрдых тел и решать конкретные задачи по классической механике.

Уметь анализировать физическую картину распределения деформаций и напряжений в упруго деформированном теле и решать конкретные статические и динамические задачи теории упругости для изотропных и анизотропных упругих тел.

Уметь выполнять расчеты изменения термодинамических функций при различных превращениях, термохимические расчеты, расчеты фазового состава и равновесия.

Уметь выполнять расчеты свойств поверхностей раздела (адсорбции, поверхностного натяжения). Составлять и решать линейные и нелинейные кинетические уравнения различных процессов в гомогенных и гетерогенных системах, выполнять кинетические расчеты методами термодинамики необратимых процессов.

Уметь анализировать физическую картину электромагнитного поля во взаимодействии с зарядами и решать конкретные задачи электродинамики, квазистационарного и переменного поля.

Уметь анализировать физическую картину квантовых явлений и решать конкретные задачи по квантовой механике, в особенности задачи, имеющие приложения в физике твёрдого тела.

Уметь решать задачи классической и квантовой статистической физики для систем невзаимодействующих частиц, использовать методы статистической физики в решении задач физики твёрдого тела.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы (час)
Примечание: * отмечены часы для срока обучения 5 лет 6 месяцев.

Вид занятий	Всего часов	Семестры
Вид занятий	Всего часов	4	5	6	7
Общая трудоемкость	320/650*	110/165*	110/165*	100/160*	160*
Аудиторные занятия	204/425*	68/102*	68/102*	68/102*	119*
Лекции (Л)	102/221*	34/51*	34/51*	34/51*	68*
Практические занятия (ПЗ)	102/204*	34/51*	34/51*	34/51*	51*
Самостоятельная работа	116/225*	42/63*	42/63*	32/53*	41*
Вид итогового контроля		экз.	экз.	экз.	экз.

4. Содержание дисциплины

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№	Раздел дисциплины	Лекции	ПЗ
	Механика и теория упругости
1	Общие принципы механики	х	х
2	Интегрирование уравнений движения Лагранжа	х	х
3	Столкновение частиц	х	х
4	Малые колебания	х	х
5	Метод Гамильтона в классической механике	х	х
6	Метод Гамильтона-Якоби в классической механике	х	х
7	Основные уравнения теории упругости	х	х
8	Равновесие стержней и пластинок	х	х
9	Упругие волны	х	х
10	Физические основы теории относительности	х	х
11	Четырёхмерная формулировка теории относительности	х	х
12	Релятивистская динамика	х	х

№	Термодинамика	Лекции	ПЗ
1	Законы термодинамики	х	х
2	Термодинамическая теория растворов	х	х
3	Фазовое равновесие	х	х

№	Кинетика	Лекции	ПЗ
1	Поверхностные явления	х	х
2	Линейная термодинамика необратимых процессов. Кинетика гомогенных процессов.	х	х
3	Диффузия и кинетика гетерогенных процессов	х	х

№	Электродинамика	Лекции	ПЗ
1	Уравнения Максвелла в вакууме	х	х
2	Постоянное электрическое поле	х	х
3	Постоянное магнитное поле	х	х
4	Квазистационарное поле	х	х
5	Уравнение Максвелла для переменного поля. Уравнения Даламбера для электромагнитных потенциалов. Распространение электромагнитного поля в вакууме.	х	х
6	Излучение электромагнитного поля	х	х
7	Уравнение Максвелла в ковариантной форме	х	х
8	Электромагнитное поле в веществе	х	х
9	Квазистационарное электромагнитное поле в веществе	х	х
10	Электромагнитные волны в веществе	х	х

№	Квантовая механика	Лекции	ПЗ
1	Основные понятия квантовой механики	х	х
2	Операторная формулировка квантовой механики и её применение	х	х
3	Теория возмущений	х	х
4	Вариационный метод Ритца	х	х
5	Изменение квантовых состояний во времени	х	х
6	Система тождественных частиц в квантовой механике	х	х
7	Квантовая теория рассеяния	х	х
8	Квазиклассическое приближение	х	х

№	Статистическая физика	Лекции	ПЗ
1	Основные принципы статистической физики	х	х
2	Квантовая статистика	х	х
3	Твёрдое тело	х	х
4	Электроны в твёрдых телах	х	х
5	Кинетические явления в электронной системе	х	х
6	Магнетизм твёрдых тел	х	х
7	Фазовые переходы	х	х

4.2 . Содержание разделов дисциплины

Механика и теория упругости

Часть 1. Механика

Раздел 1. Общие принципы механики.

Роль и место теоретической физики в формировании научного мировоззрения молодых специалистов. Значение теоретического подхода для развития физики и физического материаловедения.

Задачи механики. Обобщенные координаты и импульсы. Принцип наименьшего действия. Функции Лагранжа. Уравнение Лагранжа. Принцип относительности Галилея. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Раздел 2. Интегрирование уравнения движения Лагранжа.

Движение частицы в одномерном потенциальном поле. Движение частицы в центральном поле.

Раздел 3. Столкновения частиц.

Упругие столкновения частиц. Рассеяние частиц. Формула Резерфорда.

Раздел 4. Малые колебания.

Свободные одномерные колебания. Вынужденные колебания. Затухающие колебания. Вынужденные колебания при наличии трения. Колебания систем с многими степенями свободы.

Раздел 5. Метод Гамильтона в классической механике.

Уравнение движения Гамильтона. Канонические преобразования. Скобки Пуассона. Законы сохранения.

Раздел 6. Метод Гимальтона-Якоби в классической механике.

Уравнение Гамильтона-Якоби. Разделение переменных. Адиабатические инварианты.

Часть 2. Теория упругости.

Раздел 7. Основные уравнения теории упругости.

Тензор деформации. Тензор напряжений. Термодинамика деформирования. Закон Гука. Однородные деформации. Уравнение равновесия изотропных тел. Упругие свойства кристаллов.

Раздел 8. Равновесие стержней и пластинок.

Кручение и изгиб стержней. Энергия деформированного стержня. Уравнение равновесия стержней. Слабый изгиб стержней. Изгиб пластинок. Устойчивость упругих систем.

Раздел 9. Упругие волны.

Уравнение движения упругой среды. Упругие волны в изотропной среде. Упругие волны в кристаллах.
Часть 3. Релятивистская механика.

Раздел 10. Физические основы теории относительности.

Постулаты теории относительности. Преобразование Лоренца. Пространственно- и времени- одобные интервалы. Сложение скоростей.

Раздел 11. Четырёхмерная формулировка теории относительности.

Четырёхмерный мир. Четырёхмерные векторы. Релятивисткая кинематика.

Раздел 12. Релятивистская динамика.

Вектор энергии-импульса. Закон сохранения энергии-импульса. Функция Лагранжа в релятивистской механике. Связь между массой и энергией. Встречные пучки.
Термодинамика

Раздел 1. Законы термодинамики.

Особенности термодинамического метода. Термодинамическая система и термодинамические параметры. Функции состояния. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия, энтальпия, работа. Термохимия. Обратимые и необратимые процессы. Второй закон термодинамики. Энтропия. Энергия Гельмгольца и энергия Гиббса. Метод термодинамических потенциалов. Условия равновесия. Критерии направления. Критерии устойчивости. Фазовое равновесие в однокомпонентных системах. Уравнение Клаузиуса-Клайперона. Химическое равновесие в гомогенных газовых системах. Уравнение Вант-Гоффа. Расчет константы равновесия и состава равновесной системы. Третий закон термодинамики. Равновесие в гетерогенных системах, не содержащих растворы. Сложное равновесие.

Раздел 2. Термодинамическая теория растворов.

Второй закон термодинамики для открытых систем. Парциальные мольные величины. Химический потенциал. Условия равновесия в открытых системах. Идеальные растворы. Химические потенциалы компонентов идеальных растворов. Осмотические эффекты. Химическое равновесие в идеальных растворах. Неидеальные растворы. Термодинамическая активность. Относительные и избыточные величины. Термодинамика растворов электролитов и гальванических элементов. Регулярные растворы. Модель Изинга.

Раздел 3. Фазовое равновесие.

Фазовые переходы первого рода. Правило фаз. Фазовые диаграммы бинарных систем. Построение фазовых диаграмм по термодинамическим данным. Термодинамика спинодального распада. Фазовые переходы второго рода. Уравнения Эренфеста. Термодинамическая теория Ландау.

Кинетика

Раздел 1. Поверхностные явления.

Метод избытков Гиббса. Поверхностные сгущения термодинамических величин. Адсорбционное уравнение Гиббса. Поверхностно-активные примеси. Методы определения адсорбции и поверхностного натяжения в твердых телах. Модель Гуггенгейма, уравнения Жуховицкого. Изотермы адсорбции Лангмюра,Фаулера, Темкина, БЭТ. Изотермы поверхностного натяжения. Гиббсовы монослои.

Раздел 2. Линейная термодинамика необратимых процессов. Кинетика гомогенных процессов.

Общий анализ эволюции открытых систем. Принцип Пригожина. Теория Онзагера. Формальная кинетика: порядок реакции, константа скорости, уравнение Аррениуса, прямая и обратная реакции, последовательные и параллельные реакции. Применение теории Онзагера к химическим реакциям. Принцип детального химического равновесия. Молекулярность. Моно- и бимолекулярные реакции. Теория переходного состояния. Линейные уравнения. Устойчивые и неустойчивые стационарные состояния. Нелинейные уравнения. Колебательные процессы. Анализ на устойчивость. Диссипативные структуры. Цепные процессы.

Раздел 3. Диффузия и кинетика гетерогенных процессов.

Уравнения Фика. Решения. Модель случайных блужданий. Зависимость коэффициента диффузии от температуры и давления. Вакансии и вакансионный механизм диффузии. Диффузия в многофазных системах. Диффузионный рост фаз. Термодиффузия, электроперенос. Многостадийность. Контролирующие (лимитирующие) стадии. Диффузионный и кинетический контроль. Критериальные зависимости. Некоторые задачи кинетики гетерогенных процессов.

Электродинамика

Раздел 1. Уравнения Максвелла в вакууме.

Уравнения Максвелла как обобщение опытных данных. Потенциалы электромагнитного поля. Условия калибровки. Уравнения для потенциалов. Калибровочная инвариантность уравнений Максвелла. Закон сохранения энергии и импульса для электромагнитного поля.

Раздел 2. Постоянное электрическое поле.

Уравнения Максвелла для электростатики. Граничное условие. Уравнение Пуассона для скалярного потенциала. Решение уравнения Пуассона. Разложение скалярного потенциала в ряд по мультиполям. Работа и энергия во внешнем электростатическом поле.

Раздел 3. Постоянное магнитное поле.

Уравнения Максвелла для магнитостатики. Граничные условия. Уравнения Пуассона для векторного потенциала. Закон Био-Савара. Разложение векторного потенциала по мультиполям. Магнитный момент тока.

Раздел 4. Квазистационарное поле.

4.1. Условие квазистационарности. Уравнения Максвелла для квазистационарного поля. Закон Ома с учётом электромагнитной индукции в системе проводников.

Раздел 5. Переменное электромагнитное поле.

Уравнение Максвелла для переменного поля. Уравнения Даламбера для электромагнитных потенциалов. Распространение электромагнитного поля в вакууме. Распространение электромагнитного поля в среде с источниками поля. Запаздывающие и опережающие потенциалы.

Раздел 6. Излучение электромагнитного поля.

Излучение электромагнитного поля линейной антенной (осциллятором) в линейном приближении. Скалярный запаздывающий потенциал в дипольном приближении. Излучение осциллятора. Вектор Герца. Электромагнитное поле в ближней и дальней (волновой) зонах. Интенсивность излучения электрического диполя осциллятора. Лучистое трение. Естественная ширина спектральных линий. Рассеяние электромагнитных волн свободными зарядами.

Раздел 7. Уравнения Максвелла в ковариантной форме.

Тензорное представление уравнений Максвелла и калибровка Лоренца. Тензор электромагнитного поля. Преобразования Лоренца четырёхмерных векторов электромагнитного поля. Тензор энергии-импульса электромагнитного поля и законы сохранения энергии и импульса поля. Инварианты поля.

Раздел 8. Электромагнитное поле в веществе.

Усреднение уравнений Максвелла в веществе. Связанные заряды и вектор электрической индукции. Ток связанных зарядов и вектор напряжённости магнитного поля в веществе. Диэлектрическая и магнитная проницаемости. Уравнения Максвелла в среде и материальные уравнения. Граничные условия поля на границе сред.

Раздел 9. Квазистационарное электромагнитное поле в веществе.

Условия квазистационарности. Уравнения Максвелла для квазистационарного поля. Нормальный скин-эффект.

Раздел 10. Электромагнитные волны в веществе.

Электромагнитные волны в диэлектрике, в проводнике, в плазме. Дисперсия света в диэлектриках. Нормальная и аномальная дисперсия. Отражение и преломление электромагнитных волн на границе двух сред.

Квантовая механика

Раздел 1. Основные понятия квантовой механики.

Волны Де-Бройля и волновой пакет. Соотношение неопределённостей и волновой пакет. Роль прибора при измерениях в микромире. Принцип причинности в квантовой механике. Уравнение Шредингера. Стационарные состояния. Частица в потенциальной яме. Плотность потока и закон сохранения вероятности. Прохождение частиц через потенциальный барьер. Гармонический осциллятор. Нулевые колебания.

Раздел 2. Операторная формулировка квантовой механики и её применение.

Эрмитовы операторы. Собственные значения и собственные функции оператора физической величины. Средние значения физических величин. Теория представлений. Оператор момента импульса. Его собственные функции и собственные значения. Движение в центральносимметричном поле. Разделение переменных. Атом водорода.

Раздел 3. Теория возмущений.

Стационарная теория возмущений. Снятие вырождения под действием возмущения. Переходы между стационарными состояниями под действием возмущения. Нестационарная теория возмущений.

Раздел 4. Вариационный метод.

Раздел 5. Изменение квантовых состояний во времени.

Оператор производной динамической величины по времени. Теоремы Эренфеста. Операторы в представлениях Шредингера, Гайзенберга, Дирака.

Раздел 6. Системы тождественных частиц в квантовой механике.

Спин частицы. Спиновые матрицы и спиновые функции. Уравнение Паули. Принцип тождественности частиц. Симметрия по отношению к перестановкам. Принцип Паули. Многоэлектронный атом. Водородоподобные уровни энергии. Самосогласованное поле. Уравнение Томаса-Ферми. Двухатомная молекула.

Раздел 7. Квантовая теория рассеяния.

Теория упругого рассеяния. Формула Борна. Квазиклассический случай. Рассеяние медленных частиц. Резонанс на квазидискретном уровне. Формула Резерфорда. Упругие столкновения быстрых электронов с атомами. Фазовая теория рассеяния.

Раздел 8. Квазиклассическое приближение.

Условие квазиклассичности. Уравнение Шредингера в квазиклассическом приближении. Правило квазиклассического квантовани Бора-Зиммерфельда.
Статистическая физика

Раздел 1. Основные принципы статистической физики.

Фазовые пространство. Адиабатическая теорема. Теорема Лиувилля. Статистический вес. Микроканоническое распределение. Каноническое распределение Гиббса. Средние значения, флуктуации. Энтропия. Термодинамические функции.

Раздел 2. Квантовая статистика.

Большое каноническое распределение Гиббса. Распределение Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Вырожденный Ферми-газ. Идеальный Бозе-газ. Бозе-конденсация. Излучение абсолютно чёрного тела.

Раздел 3. Твёрдые тела.

Симметрия кристаллов, обратная решётка. Колебания кристаллической решётки. Фононы. Теплоёмкость кристаллической решётки: теория Эйнштейна и закон Дюлонга и Пти: теория Дебая. Ангармонизм колебаний решётки и тепловое расширение твёрдых тел.

Раздел 4. Электроны в твёрдых телах.

Электрон в периодическом потенциале. Электронные спектры твёрдых тел. Эффективная масса. Поверхность Ферми. Теплоёмкость электронного газа. Ферми-жидкость.

Раздел 5. Кинетические явления в электронной системе.

Электрон как волновой пакет. Кинетическое уравнение. Проводимость и теплопроводность металлов. Процессы рассеяния. Электрон-фононное рассеяние. Сверхпроводимость.

Раздел 6. Магнетизм твёрдых тел.

Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферро- и антиферромагнетизм. Геликоидальные структуры.

Раздел 7. Фазовые переходы.

Фазовые переходы I рода. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Теория Ландау фазовых переходов II рода. Влияние внешнего поля. Флуктуации вблизи фазового перехода. Динамическая теория фазовых переходов.
5. Лабораторный практикум

Нет.
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1. рекомендуемая литература

Основная:

1.Левич В.Г. Курс теоретической физики, т.т.1,2. - М.: ФМ, 1962.

2.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики, т.3, Квантовая механика. - М., ГИМЛ, 1963 - 702 с.

1.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. “Теоретическая физика т.1, “Механика” - М.: Наука, 1988 - 215 с.

3.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. “Теоретическая физика” т.7, “Теория упругости”- М.: Наука, 1987 - 248 с.

4.Галицкий В.М., Карнаков В.М., Коган В.И. Задачи по квантовой механике. - М.: Наука, 1981 - 635 с.

5.Коткин Г.Л., Сербо В.Г. “Сборник задач по классической механике” - М.: Наука, 1969. - 239 с.

6.Гречко Л.Г., Сугачёв В.И., Федорченко А.М. “Сборник задач по теоретической физике” - М.: ВШ., 1972 - 480 с.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.. Статистическая физика, часть 1, М.: Наука, 1995,

606 с.

8. Абрикосов А.А.. Основы теории металлов. М.: Наука, 1987 - 415 с.

9.Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Сборник задач по электродинамике. - М.: Наука, 1970 - 180 с.

10. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия, М.: Металлургия, 1987.- 687 с.

11. Базаров И.П. Термодинамика,- М.: Высшая школа, 1976.- 447 с.

12. Бокштейн Б.С., Менделев М.И. Краткий курс физической химии.- М.:ЧеРо, 1999.- 230 с,

13. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций, - М.: Мир,1973.- 280 с.

14. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах, -М.: Металлургия, 1978.-

Дополнительная:

1.Давыдов А.С. Квантовая механика. -М.: ФМ, 1963 - 748 с.

2.Флюгге З. Задачи по квантовой механике, т.т.1,2. - М.: Мир, 1974.

3.Савельев И.В, Основы теоретической физики. т.1 - М.: Наука, 1991 - 493 с.

4. Левич В.Г., Вдовин Ю.А., Мямлина В.А.. Курс теоретической физики. т. 2 - М.: Наука,

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины

Не требуются.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Не требуется.

Программа составлена в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 651800 Физическое материаловедение.
Программу составили:

Профессор Б.С.Бокштейн, профессор С.И.Мухин, доцент Ю.М.Кузьмин,

Московский государственный института стали и сплавов (технологический университет);
Программа одобрена на заседании Совета учебно-методического объединения по образованию в области металлургии 14 июня 2001г., протокол № 38.

Зам. председателя Совета УМО В.П.Соловьев

Всего

часов

Механика и теория упругости

Термодинамика

Кинетика

Электродинамика

Квантовая механика

Статистическая физика

Механика и теория упругости

Кинетика

Электродинамика

Квантовая механика

6.1. рекомендуемая литература

Основная:

Дополнительная: