Перечень вопросов, выносимых для проверки на государственном экзамене

1. Пространство и время в классической механике. Физические величины, используемые при описании механического движения. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Преобразования физических величин при переходе из одной системы отсчета в другую. Кинематика материальной точки.

2. Динамика системы материальных точек. Законы Ньютона, их опытное происхождение. Сила. Масса. Основная задача динамики и роль начальных условий в ее решении. Принцип причинности в классической механике.

3. Законы сохранения в механике. Кинетическая и потенциальная энергия системы. Закон сохранения полной механической энергии. Импульс механической системы, закон сохранения импульса. Момент импульса механической системы. Закон сохранения момента импульса. Связь законов сохранения со свойствами симметрии пространства и времени. Примеры их применения.

4. Механические колебания. Свободные колебания гармонического осциллятора. Пружинный и математический маятники. Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс.

5. Основные положения СТО. Постулаты Эйнштейна и их следствия. Релятивистские системы отсчета. Преобразования Лоренца. Закон сложения скоростей.

6. Динамика релятивистской частицы, уравнение ее движения, масса, энергия, импульс.

7. Электромагнитное поле в вакууме. Характеристики электромагнитного поля Система уравнений Максвелла для электромагнитного поля в вакууме. Уравнение движения электрически заряженной частицы. Относительность электрического и магнитного полей.

8. Описание электромагнитного поля в веществе. Микроскопические и макроскопические поля. Усреднение зарядов и токов. Система уравнений Максвелла для электромагнитного поля в веществе, материальные соотношения и граничные условия. Характеристики электрических и магнитных свойств вещества.

9. Электростатическое поле. Потенциальный характер электростатического поля. Напряженность и потенциал электростатического поля, связь между ними. Принцип суперпозиции. Теорема Остроградского-Гаусса.

10. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Электроемкость.

11. Постоянное магнитное поле. Вихревой характер магнитного поля. Действие магнитного поля на движущиеся заряды и токи. Закон Ампера. Сила Лоренца. Закон Био-Савара-Лапласа. Закон полного тока.

12. Магнетики в постоянном магнитном поле. Диа-, пара-, ферромагнетики и их свойства.

13. Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Условия существования тока. Законы Ома и Джоуля-Ленца. Правило Кирхгофа.

14. Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания в контуре.

15. Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток в цепи, содержащей индуктивность, емкость и активное сопротивление. Мощность в цепи переменного тока. Резонанс.

16. Электромагнитные волны. Физические процессы, приводящие к их возникновению. Излучение, прием и свойства электромагнитных волн. Энергия и импульс электромагнитной волны.

17. Электромагнитная природа света. Некогерентные и когерентные источники. Интерференция света. Осуществление интерференции света. Интерферометры.

18. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция света. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Дифракционная решетка как спектральный прибор.

19. Лучевая (геометрическая) оптика. Геометрическая оптика как предельный случай волновой оптики. Основные понятия и законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение. Преломление света в призме и на сферической поверхности. Линза. Построение изображений.

20. Распространение света в среде. Фазовая и групповая скорости, дисперсия и поглощение света. Рассеяние света. Поляризация света и двойное лучепреломление.

21. Экспериментальные основы квантовой механики. Особенности поведения микрообъектов. Корпускулярно-волновой дуализм. Соотношение неопределенностей. Мысленный и физический эксперимент в квантовой механике.

22. Значения физических величин, характеризующих состояние микрообъектов. Математический аппарат квантовой механики. Законы сохранения в микромире, их связь со свойствами пространства-времени.

23. Описание состояний микрообъектов в квантовой механике. Задача о частице находящейся в бесконечно глубокой потенциальной яме, в яме конечной глубины, проходящей потенциальный барьер. Физические ситуации, описываемые этими задачами.

24. Строение атома. Теория Бора, ее недостатки. Описание атома квантовой механикой. Решение уравнения Шредингера для частицы в центрально-симметричном поле. Значения момента импульса, его проекций и энергии для различных состояний электрона в атоме.

25. Многоэлектронные атомы. Заполнение электронных состояний в атомах. Правила Хунда. Основные состояния атомов различных элементов. Периодическая система элементов Менделеева и объяснение с ее точки зрения квантовой механики.

26. Кинетическая теория идеальных газов. Давление газа. Температура. Уравнения состояния идеального газа. Законы идеального газа. Распределение молекул по скоростям и энергиям.

27. Основы термодинамики. Внутренняя энергия, количество теплоты, работа газа. Первое и второе начало термодинамики. Энтропия. Теорема Нернста.

28. Физическая кинетика. Столкновения молекул, длина свободного пробега. Явление переноса в газах.

29. Реальные газы Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Фазовый переход, критическое состояние.

30. Жидкости и их свойства. Поверхностное натяжение. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления. Испарение и кипение жидкостей.

31. Твердые тела, их структура и свойства. Механические свойства твердых тел. Переход в твердое состояние. Диаграмма состояний. Тройная точка.

32. Система тождественных частиц. Квантовые статистики. Статистика Ферми-Дирака. Ферми газ в металлах. Уровень и поверхность Ферми. Распределение Бозе-Эйнштейна.

33. Атомное ядро. Опыты Резерфорда. Состав ядра. Основные характеристики ядер. Свойства ядерных сил.

34. Виды неустойчивости ядер. Радиоактивные превращения. Природа и свойства сопровождающих их излучений. Механизмы α, β, γ и f – распадов, деление ядер. Закон радиоактивного распада.

35. Элементарные частицы и их классификация. Кварки и лептоны. Характеристики элементарных частиц.

36. Фундаментальные взаимодействия, их характеристики и константы. Обменный механизм фундаментальных взаимодействий. Кванты калибровочных полей. Понятие об объединенных теориях фундаментальных взаимодействий.

 

2.7 Методические рекомендации по формированию педагогических контрольных материалов

Объяснительная записка.

Основной целью государственных экзаменов в университете с педагогическим профилем подготовки выпускников является проверка степени их готовности выпускников к преподаванию физики в средней школе и средних специальных учебных заведениях. Задача государственного экзамена по физике - проверка прочности усвоения выпускниками основных разделов курса физики и умения использовать приобретенные знания в процессе преподавания физики.

При составлении данной программы авторы руководствовались следующими соображениями:

а) Выпускник должен обладать глубокими конкретными знаниями, касающимися наиболее важных физических концепций и законов. К их числу следует отнести: законы ньютоновской механики; основные положения специальной теории относительности; уравнения Максвелла и релятивистские аспекты понятия электромагнитного поля; исходные принципы квантовой механики и уравнение Шредингера; основные понятия физики атома, атомного ядра и элементарных частиц; важнейшие концепции статистической физики и термодинамики.

б) Выпускник должен уметь применять физические законы к анализу наиболее важных частных случаев и простейших задач, знать и уметь объяснить основные результаты.

в) Выпускник должен знать логическую структуру различных разделов физики; "Механика", "Электродинамика" и т.д., представлять место каждой темы в разделе и взаимосвязь различных тем между собой, поскольку знание структуры основных разделов физики для школьного учителя совершенно необходимо.

г) Выпускник должен иметь представление об основных математических методах в их физических приложениях.

д) Выпускник должен владеть основным экспериментальным материалом, особенно теми опытными фактами, которые лежат в основе наиболее важных физических законов.

е) На государственном экзамене следует проверять не только конкретные знания выпускника, но и зрелось его общего физического мировоззрения. Оно включает следующие элементы, понимание роли диалектического материализма в становлении и развитии физических теорий и обратного влияния физики на философию; его взгляд на современную физику не как на собрание разрозненных экспериментальных фактов и теоретических схем, а как на единую стройную систему знаний; четкое представление о фундаментальных физических процессах и фундаментальных взаимодействиях; понимание роли фундаментальных физических законов и умение отличать их от многообразных вторичных законов и феноменологических закономерностей; представление о многоплановости основных физических соотношений и о разделении их на динамические уравнения, законы сохранения и статистические закономерности; современное воззрение на структуру пространства-времени, на их свойства симметрии и на связь законов сохранения со свойствами симметрии; глубокое понимание фундаментальных физико-философских принципов в их разнообразных проявлениях и приложениях - принципов симметрии, инвариантности (включая принцип относительности), причинности, соответствия.

ж) Выпускник обязан иметь представление о последних наиболее важных и интересных достижениях физической науки.

з) Выпускник должен уметь связать имеющиеся у него знания со школьным курсом физики.

В программе учтено, что физическая наука едина, и разделение физики на общую и теоретическую весьма условно. В связи с чем, содержательные ответы предполагают привлечение сведений из курса не только общей, но и теоретической физики.

Из особенностей данной программы государственного экзамена по физике можно отметить следующее,

1. В ней значительное место уделено наиболее принципиальным вопросам и проведена четная рубрикация разделов.

2. Элементы специальной теории относительности введены в виде п. 3 в раздел I "Классическая механика".

3. В соответствии с ныне действующими учебными программами для специальности 050203, раздел "Термодинамика и статистическая физика" является завершающим и в программе государственного экзамена. Поскольку физика твердого тела оформилась в настоящее время в самостоятельную научную дисциплину, в этом разделе выделен отдельный пункт "Элементы физики твердого тела".

4. Особенно следует отметить появление в программе нового большого раздела IV "Квантовая физика", состоящего из трех частей. Первая честь "Особенности поведения микрообъектов" посвящена экспериментальному обоснованию квантовой механики и выявлению ее специфических особенностей. Вторая часть "Основные положения квантовой механики" включает вопросы, связанные с принципиальными положениями квантовой теории и с применяемым в ней математическим аппаратом. В третьей части "Строение атома" содержатся самые основное вопросы из области атомной физики. Раздел не требует знания вычислительных методов квантовой механики, и в нем почти нет конкретных задач. При подготовке этой темы выпускник должен сконцентрировать внимание на наиболее принципиальных вопросах квантовой физики.

5. Включение в данную программу указанного раздела свидетельствует об усилении в ней элементов теоретической физики. Такие элементы введены и в другие разделы программы. Это касается, в частности, электродинамики (уравнения Максвелла в полной форме и понятие об их макроскопическом усреднении) и раздела "Термодинамика и статистическая физика" (макроканоническое и каноническое распределения, статистика Бозе-Эйнштейна и статистика Фэрми-Дирака и т.д.).

6. Естественно, что в данной программе появился ряд новых вопросов, которых в предыдущей программе быть и не могло. В программе уделено внимание всем основным разделам физики, включая раздел «Физика ядра и элементарных частиц», хотя новые вопросы содержатся и в других разделах.

7. Вопросы к программе сформулированы достаточно лаконично, поскольку предполагается, что выпускник педагогического института обязан сам раскрыть конкретное содержание той или иной темы.

8. На госэкзамене следует избегать громоздких математических выкладок. В частности, не следует пытаться "вывести" тот или иной результат, за исключением самых простых случаев. Однако выпускник должен уметь записать и обсудить основные уравнения, относящиеся к вопросу, сформулировать приближения, используемые при решении задачи, изложить и истолковать результаты.

Программа содержит не весь материал курса физики, а лишь основные вопросы, знание которых обеспечивает необходимый уровень научной подготовки выпускников. Тем не менее, объем материала, включенного в программу, велик, и он достаточно сложен. Поэтому экзаменационная комиссия вправе разрешить студентам использование справочников, а иногда и учебных пособий (но не конспектов лекций) при подготовке к ответу на некоторые вопросы билетов. При этом выяснится и умение выпускника пользоваться вспомогательной литературой, что существенно для будущего учителя. Однако все случаи, в которых допускается использование пособий, должны быть оговорены заранее, причем ответ в виде пересказа изложенного в пособии материала комиссия вправе признать неудовлетворительным.

Экзаменационные билеты составляются так, чтобы один из вопросов был достаточно общий, а другой - более конкретным, причем из другого раздела физики. Знание МПФ контролируется путем предложения выпускнику 1)обосновать содержание и место материала, предлагаемого в качестве вопроса билета, в школьном курсе физики. 2) подготовить и продемонстрировать физический эксперимент или выполнить экспериментальное задание (Приложение к экзаменационным билетам).

 

П Р О Г Р А М М А

ВВЕДЕНИЕ

Материя и формы ее движения, физика как наука об общих законах простейших форм движения материи. Современные представления о пространстве и времени. Основные типы взаимодействий в природе. Объективный характер физических законов, их разновидности (фундаментальные законы и феноменологические закономерности, динамические уравнения, законы сохранения и статистические закономерности).

КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

1. Нерелятивистская механика. Пространство и время в нерелятивистской физике. Системы отсчета. Кинематика частицы. Сложение движений. Преобразования Галилея, их кинематические следствия.

Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона, границы их применимости. Принцип причинности в классической механике. Принцип относительности Галилея.

Законы сохранения в нерелятивистской механике. Их связь со свойствами симметрии пространства и времени.

Гравитационное поле. Закон всемирного тяготения. Опыты Кавендиша. Инертная и гравитационная массы.

Задача двух тел. Движение частицы в центральном поле. Задача Кеплера.

Механические колебания. Свободные в вынужденные колебания линейного гармонического осциллятора. Колебания при наличии трения. Резонанс.

Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции, понятие о принципе эквивалентности.

2. Релятивистская механика. Экспериментальные основания СТО. Постулаты Эйнштейна. Пространство-время и системы отсчета в СТО. Преобразования Лоренца и их кинематические следствия.

Релятивистские импульс и энергия, связь между ними. Энергия покоя. Частицы с нулевой массой. Второй закон Ньютона в СТО. Закон сохранения энергии-импульса.

II. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

1. Электромагнитное взаимодействие. Электрический заряд. Дискретность заряда. Измерение удельного заряда частиц (опыт Томпсона) и элементарного заряда (опыты Милликена и Иоффе). Закон сохранения заряда (уравнение непрерывности).

Электромагнитное поле в вакууме и его характеристики. Принцип суперпозиции. Относительность понятий электрического и магнитного полей.

Экспериментальные основания электродинамики: взаимодействие неподвижных зарядов, опыты Кулона; взаимодействие токов, опыты Ампера; электромагнитная индукция, опыты Фарадея.

2. Общие уравнения электромагнитного поля. Система уравнений Максвелла в вакууме, физический смысл каждого уравнения, их основные свойства.

Плотность энергии и плотность потока энергии электромагнитного поля. Понятие об импульсе электромагнитного поля.

Понятие о микроскопических уравнениях Максвелла-Лоренца и об их макроскопическом усреднении. Поля D и Н. Система уравнений Максвелла в вещества, материальные уравнения.

3. Постоянные электромагнитные поля. Электростатическое поле в вакууме, его потенциальность, закон Кулона. Принцип суперпозиции и теорема Гаусса; их применение к решению электростатических задач. Энергия взаимодействия системы зарядов и энергия электростатического поля.

Электростатическое поле при наличии проводников. Электроемкость.

Электростатическое поле в диэлектриках.

Постоянный ток в металлах. Электродвижущая сила. Закон Ома и Джоуля-Ленца. Правила Кирхгофа, их физический смысл.

Постоянное магнитное поле в вакууме, его вихревой характер. Закон Био-Савара-Лапласа и теорема о циркуляции; их применении к расчету магнитных полей.

Магнитное поле в вещества. Диа-, пара- и ферромагнетизм.

4. Квазистационарное электромагнитное поле. Условия квазистационарности.

Переменный ток. Сопротивление, емкость и индуктивность в цепи переменного. Работа и мощность переменного тока.

Колебательный контур. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс. Генерация незатухающих электромагнитных колебаний.

5. Электромагнитные волны. Волновое уравнение. Плоская монохроматическая электромагнитная волна. Скорость распространения электромагнитных волн. Эффект Доплера.

Излучение электромагнитных волн. Дипольное излучение. Электромагнитная природа света. Шкала электромагнитных волн.

III. ОПТИКА

1. Волновая оптика. Некогерентные и когерентные источники, интерференция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция света.

2.Распространение света в среде. Отражение и преломление света. Поглощение и дисперсия света, фазовая и групповая скорости. Рассеяние света. Естественный и поляризованный свет.

3. Лучевая (геометрическая) оптика. Приближение коротких волн. Основные понятия и законы лучевой оптики. Зеркала, линзы, призмы, оптические приборы.

IV. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

1. Особенности поведения микрообъектов. Корпускулярные свойства света, волновые свойства частиц. Дискретность состояний микрообъектов; постулаты Бора, опыты Франка-Герца; опыты Штерна-Герлаха. Соотношение неопределенностей. Вероятностный характер описания поведения микрообъектов. Мысленный эксперимент - интерференция электронов на двух щелях.

2. Основные положения квантовой механики. Волновая функция и ее интерпретация. Квантовомеханический принцип суперпозиции. Совместно измеряемые физические величины. Описание состояний с помощью полных наборов квантовых чисел. Спин.

Уравнение Шрёдингера. Принцип причинности в квантовой механике. Классическая механика как предельный случай квантовой.

Стационарное уравнение Шредингера. Свойства стационарных состояний. Связь энергетического спектра с видом потенциала.

Свободная частица. Частица в потенциальной яме. Туннельный эффект.

Принцип тождественности частиц. Свойства симметрии волновой функции относительно перестановок тождественных частиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули.

5. Строение атома.

Атом водорода. Описание состояний атома водорода посредством квантовых чисел. Спектры излучения атомарного водорода.

Состояния электрона в многоэлектронном атоме. Периодическая система элементов Менделеева.