Физика

Бакалавриат 2021/2022

Статус: Курс обязательный (Прикладная математика)

Направление: 01.03.04. Прикладная математика

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 2-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Акулин Владимир Михайлович, Карабасов Тайржан, Монахов Иван Сергеевич, Святодух Маргарита Игоревна

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 72

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Одной из главных задач курса является развитие навыков образного, качественного, понимания не только традиционно обсуждаемых в курсах физики, но и актуальных, относительно новых, недавно открытых, физических явлений. С этой целью в него дополнительно введен ряд понятий и терминов, которые обычно используются на более поздних фазах учебного процесса и излагаются с использованием достаточно серьезного математического аппарата. Представляется, однако, что обсуждение концептуально важных понятий, на которых основываются объяснения происходящих в окружающей действительности явлений, можно и нужно проводить и на более ранних фазах обучения, по-возможности, без привлечения технически сложных вычислений. Это должно заложить правильную структуру восприятия физики не как эклектичного набора фрагментарных знаний, а как целостной науки, базирующейся на ясных принципах и четко определяющей области применимости существующих в ней подходов к происходящему в окружающей нас реальности. Подразумевается, что курс будет сопровождаться решением задач, позволяющих лучше познакомиться с изучаемыми явлениями. Курс направлен на получение студентами базовых знаний по физике и должен сформировать у студентов современное естественнонаучное мировоззрение. Для успешного прохождения курса студент должен освоить основные законы классической физики, а так же методы физического исследования. В курсе изучаются такие разделы как 1) механика, 2) термодинамика и основы статистической физики, 3) электричество 4) квантовая механика и информатика. Знания, полученные при изучении курса, могут быть использованы при изучении таких дисциплин, как электротехника, электроника, метрология и т.д. Часть «Квантовая физика» посвящена основам квантовой механики и ее применения для описания физических явлениях в атомах, молекулах, твердых телах, и элементарных частицах. Детальное рассмотрение, направленное на развитие адекватных интуитивных представлений о квантовых процессах производится в разделе «Квантовая динамика и язык ее описания». Дальнейшее развитие представлений будет представлено в разделе «Точно решаемые модельные квантовые задачи». В разделах «Квантовая механика атомов, молекул и фотонов» и «Квантовая физика твердого тела» результатам рассмотрения общих методов квантовой механики будет придан реальный физический смысл. Важное внимание в курсе уделяется быстро развивающейся области науки – квантовой информатике. В части «Физические основы квантовой информатики» рассматриваются методы управления сложными квантовыми системами, такими как квантовый процессор, а также конкретным физическим реализациям таких систем. Раздел «Основы квантовой связи» предназначен для обсуждения современных методов квантового кодирования и защищенной квантовой механикой передачи информации. При обучении предусмотрен контроль знаний студентов в виде решения практических заданий, работы на семинаре, лабораторных работ и экзаменов.

Цель освоения дисциплины

Курс общей физики ставит перед собой главную цель — сориентировать обучающихся в современном состоянии физической науки, познакомить с основополагающими принципами современного естественнонаучного описания материального мира, а также с основными концепциями и базовой терминологией используемых для этой цели. Подразумевается, что с помощью доступных в современной реальности средств поиска по базам данных, это поможет находить и воспринимать более детальную информацию о предмете, в ситуациях, когда это окажется необходимым.
Целью курса является ознакомление с основами Физики как они представляются в настоящее время. В доступной форме будет описано современное состояние науки и ее актуальные проблемы. В процессе обучения предполагается сочетать современные взгляды на предмет с многовековой традицией описания фундаментальных явлений природы.
Целью курса является ознакомление с основами Физики как они представляются в настоящее время. В доступной форме будет описано современное состояние науки и ее актуальные проблемы. В процессе обучения предполагается сочетать современные взгляды на предмет с многовековой традицией описания фундаментальных явлений природы.

Планируемые результаты обучения

Знает законы волнового движения, понятия фазовой и групповой скоростей, законы преломления на границах раздела. Понимает, что такое направляемые волны в пределе коротких и длинных волн.
Знает законы рассеяния и законы вращательного движения; понимает при каких условиях движение системы является регулярным и удовлетворяет достаточному количеству законов сохранения, а при каких становится хаотическим и не поддаётся аналитическому описанию; знает основные способы моделирования взаимодействия системы с окружением - сухое и вязкое трение - способы учета трения в уравнениях движения и его последствия.
Знает законы электро- и магнитостатики в средах и понятие функции влияния.
Знает как изменяется характер движения в фазовом пространстве при внешнем воздействии на систему зависящем от времени в отсутствии и в присутствии трения. Понимает что такое резонанс и как его описывать; что такое эффективный потенциал.
Знает квантовую механику атомов, молекул и фотонов.
Знает квантовую физику твердого тела – задачи многих тел.
Знает принципы лежащие в основе построения физики как науки, основные физические единицы измерений, размерности физических величин и характерные величины размеров времён и масс, где применимы различные законы физики.
Знает принципы статистического описания больших систем. Понимает что такое энтропия и как она соотносится с действием и фазовым объемом; как происходит стремление к термодинамическому равновесию.
Знает связь между зарядами и полями и их уравнения движения при взаимодействии.
Знает точно решаемые квантовые модельные задачи.
Знает физические основы квантовой информатики.
Знает что такое квантовая динамика и язык для ее описания.
Знает что такое квантовый компьютер.
Знает что такое оптический предел уравнений Максвела. Понимает, что такое оптический резонатор и каковы методы управления распространением света; основные эффекты связанные с волновой природой света, рылеевское рассеяние, спеклы, принципы оптической локации. Знает области применимости законов линейной оптики и основные нелинейные эффекты.
Знает что такое термодинамическое описание и какая информация о системе для него требуется, что такое термодинамические циклы и что такое термодинамические потенциалы.
Знает: принцип описания материи с помощью полей в четырехмерном пространстве-времени; уравнения Гамильтона для 4-х вектора потенциала и их следствие - уравнения Максвелла.
Знает: принципы построения правил перехода из одной системы координат в другую; что такое матрица Якоби метрика и сохраняющийся элемент дистанции; как изменяются скорости и ускорения при переходах в движущиеся системы координат;что такое сохраняющийся интервал и как осуществлять переходы из одной системы отсчета в другую; что такое интегрирование уравнений движения и когда оно возможно.
Знает: уравнение движения для функции распределения в случае ее малого отклонения от равновесия; основные уравнения переноса.
Знает: уравнения состояния идеального и неидеального газов и их основное отличие - появление тройной точки в случае неидеальности; закон равновесия фаз; условие равновесия систем переменного состава.
Знает: что такое количество движения, что такое фазовое пространство, что такое действие; принцип описания движения тел с помощью функции и уравнений Гамильтона и правила перехода из одной системы фазовых координат в другую с сохранением элемента действия; как изменяется функция Гамильтона при зависящем от времени переходе и к каким последствиям это приводит; как связаны законы сохранения с симметрией функции Гамильтона.
Имеет представление о потенциальном и вихревом движении жидкости и соответствующем этим течениям распределении давления.
Умеет выписывать выражения для величин сохраняющихся вдоль трубок тока.
Умеет выписывать и решать там, где это возможно, систему уравнений Гамильтона для медленных переменных, учитывать трение, строить фазовые портреты систем и решать типовые прикладные физические задачи.
Умеет выписывать систему уравнений Гамильтона, осуществлять замены переменных в фазовом пространстве, пользоваться законами сохранения для разделяющихся переменных и решать типовые физические задачи; строить отображения приводящие к хаосу на простейшем примере.
Умеет находить оптические свойства простейших резонаторов и рассчитывать доплеровские сдвиги частоты.
Умеет находить равновесные функции распределения в фазовом пространстве и выписывать выражения для свободной энергии.
Умеет находить фазовую и групповую скорости для простейших случаев, составлять условия согласования полей на границах раздела, а также выписывать эти условия в предельном случае длинных волн как правила Кирхгофа для электрических цепей.
Умеет находить физические размерности величин в различных системах единиц, осуществлять переходы из одной системы единиц в другую и использовать метод размерностей для проверки результатов решения задач.
Умеет производить переходы из одной системы координат в другую, находить правила определения элемента длинны и изменения скорости и ускорения; умеет интегрировать уравнения движения для типичных решаемых кинематических задач.
Умеет решать простейшие задачи диффузии, теплопроводности, вязкого движения.
Умеет решать простейшие задачи про излучение движущихся зарядов и о движении зарядов в электромагнитных полях.
Умеет решать простейшие задачи, находить условия согласования полей на границах сред.
Умеет решать уравнения Максвелла в простейших случаях и находить потоки энергии.
Умеет составлять балансы энергий для различных термодинамических процессов и находить кпд циклов.
Умеет: находить термодинамические характеристики газов, условия равновесия фаз; решать типовые задачи.
Умеет: строить траектории движения в фазовых пространствах одномерных систем и по их виду определять характер динамики; выписывать и решать там, где это возможно, систему уравнений Гамильтона, осуществлять замены переменных в фазовом пространстве и решать типовые физические задачи.

Содержание учебной дисциплины

Тема 1. Введение.
Раздел. Квантовая динамика и язык для ее описания. Тема 16.
Раздел Механика. Тема 2. Кинематика.
Раздел. Точно решаемые квантовые модельные задачи. Тема 17.
Раздел Механика. Тема 3. Динамика.
Раздел Квантовая механика атомов, молекул и фотонов. Тема 18.
Раздел Механика. Тема 4. Составные системы из 2-х и более тел.
Раздел Квантовая физика твердого тела – задачи многих тел. Тема 19.
Раздел Физические основы квантовой информатики. Тема 20.
Раздел Механика. Тема 5. Движение под воздействием, зависящим от времени.
Раздел Квантовый компьютер. Тема 21.
Раздел Механика. Тема 6. Элементы гидродинамики.
Раздел Термодинамика и Статистическая физика. Тема 7. Переход от механики к статистической физике.
Раздел Термодинамика и Статистическая физика. Тема 8. Термодинамика.
Раздел Термодинамика и статистическая физика. Тема 9. Идеальные и неидеальные газы.
Раздел Термодинамика и Статистическая физика. Тема 10. Элементы физической кинетики.
Раздел Явления электромагнетизма. Тема 11. Уравнения Электромагнитного поля.
Раздел Явления электромагнетизма. Тема 12. Источники электромагнитного поля.
Раздел Явления электромагнетизма. Тема 13. Стационарные электрические и магнитные поля в вакууме и в веществе.
Раздел Явления электромагнетизма. Тема 14. Электромагнитное поле распространяющееся в веществе.
Раздел Явления электромагнетизма. Тема 15. Оптика.

Элементы контроля

Письменные практические задания 2 модуль
Задания сгруппированы в два блока, первый блок сдается не позднее недели следующей за той, на которой состоялась серединная лекция модуля. Второй блок – к концу недели окончания курса. Все задачи будут разобраны на семинарских занятиях, но не все во всех академических группах. Так что большую часть задач придется решать самостоятельно. Обмен информацией о способах решения задач приветствуется, если он не сводится к механическому списыванию. При решении задач, можно пользоваться любыми источниками, и вычислительными программами, однако текст должен быть написан лично, то есть, своими словами. Проверяющий оставляет за собой право не снижать процент за ошибку, если видит, что был применен новый и правильный подход к задаче. Если процент выполнения задания превышает 75%, то есть средний бал за задание 7.5 и выше, оно считается сданным полностью. Полностью выполненные задания дают право на досрочную сдачу экзамена (автомат) исключительно на основании письменного ответа на вопрос по выбору. Оценка за совокупность практических заданий является средним арифметическим оценок за каждое из заданий. Оценка за совокупность практических заданий может быть повышена студентам активно выступающим на семинарах. Дистанционный формат со 2-го модуля.
Письменные практические задания 3 модуль
Задания сгруппированы в два блока, первый блок сдается не позднее недели следующей за той, на которой состоялась серединная лекция модуля. Второй блок – к концу недели окончания курса. Все задачи будут разобраны на семинарских занятиях, но не все во всех академических группах. Так что большую часть задач придется решать самостоятельно. Обмен информацией о способах решения задач приветствуется, если он не сводится к механическому списыванию. При решении задач, можно пользоваться любыми источниками, и вычислительными программами, однако текст должен быть написан лично, то есть, своими словами. Проверяющий оставляет за собой право не снижать процент за ошибку, если видит, что был применен новый и правильный подход к задаче. Если процент выполнения задания превышает 75%, то есть средний бал за задание 7.5 и выше, оно считается сданным полностью. Полностью выполненные задания дают право на досрочную сдачу экзамена (автомат) исключительно на основании письменного ответа на вопрос по выбору. Оценка за совокупность практических заданий является средним арифметическим оценок за каждое из заданий. Оценка за совокупность практических заданий может быть повышена студентам активно выступающим на семинарах.
Экзамен 3 модуль
Экзамен состоит из двух частей: (1)из развернутого письменного ответа на теоретический вопрос по выбору (из списка предложенного экзаменатором не позднее чем за 14 дней до начала экзамена), подготовленный заранее и присланный проверяющему за 72 часа до начала экзамена; и (2) из письменных ответов на экзаменационные вопросы в день экзамена, на которые дается 60 минут. Ответы на экзаменационные вопросы должны быть присланы не позднее чем через час после их получения в день экзамена. Работа на семинарах оценивается ведущим семинара субъективно и учитывает активность на семинаре, выступления "у доски", хорошо поставленные вопросы и уместные замечания по ходу рассмотрения материала. Выполнившим задание по семинарским занятиям более, чем на 75 процентов, по усмотрению проверяющего, вопросы к экзамену могут быть зачтены автоматически, а текст доклада принят досрочно.
Лабораторные работы 3 модуль
Лабораторные работы выполняются бригадами (по 2 человека) в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ. Этот график и методические описания всех лабораторных работ представлены на сайте Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ в разделе «Учебная лаборатория волновой и квантовой оптики, атомной и ядерной физики» https://miem.hse.ru/edu/ee/physics/metod.
Лабораторные работы 2 модуль
Лабораторные работы выполняются бригадами (по 2 человека) в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ. Этот график и методические описания всех лабораторных работ представлены на сайте Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ в разделе «Учебная лаборатория волновой и квантовой оптики, атомной и ядерной физики» https://miem.hse.ru/edu/ee/physics/metod. Дистанционный формат со 2-го модуля.
Письменные практические задания 4 модуль
Задания сгруппированы в два блока, первый блок сдается не позднее недели следующей за той, на которой состоялась серединная лекция модуля. Второй блок – к концу недели окончания курса. Все задачи будут разобраны на семинарских занятиях, но не все во всех академических группах. Так что большую часть задач придется решать самостоятельно. Обмен информацией о способах решения задач приветствуется, если он не сводится к механическому списыванию. При решении задач, можно пользоваться любыми источниками, и вычислительными программами, однако текст должен быть написан лично, то есть, своими словами. Проверяющий оставляет за собой право не снижать процент за ошибку, если видит, что был применен новый и правильный подход к задаче. Если процент выполнения задания превышает 75%, то есть средний бал за задание 7.5 и выше, оно считается сданным полностью. Полностью выполненные задания дают право на досрочную сдачу экзамена (автомат) исключительно на основании письменного ответа на вопрос по выбору. Оценка за совокупность практических заданий является средним арифметическим оценок за каждое из заданий. Оценка за совокупность практических заданий может быть повышена студентам активно выступающим на семинарах.
Экзамен 4 модуль
Экзамен состоит из двух частей: (1)из развернутого письменного ответа на теоретический вопрос по выбору (из списка предложенного экзаменатором не позднее чем за 14 дней до начала экзамена), подготовленный заранее и присланный проверяющему за 72 часа до начала экзамена; и (2) из письменных ответов на экзаменационные вопросы в день экзамена, на которые дается 60 минут. Ответы на экзаменационные вопросы должны быть присланы не позднее чем через час после их получения в день экзамена. Работа на семинарах оценивается ведущим семинара субъективно и учитывает активность на семинаре, выступления "у доски", хорошо поставленные вопросы и уместные замечания по ходу рассмотрения материала. Выполнившим задание по семинарским занятиям более, чем на 75 процентов, по усмотрению проверяющего, вопросы к экзамену могут быть зачтены автоматически, а текст доклада принят досрочно.
Лабораторные работы 4 модуль
Лабораторные работы выполняются бригадами (по 2 человека) в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ. Этот график и методические описания всех лабораторных работ представлены на сайте Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ в разделе «Учебная лаборатория волновой и квантовой оптики, атомной и ядерной физики» https://miem.hse.ru/edu/ee/physics/metod.
Итоговое письменное задание 2 модуль
Итоговое письменное задание состоит из развернутого письменного ответа на теоретический вопрос по выбору (из списка предложенного экзаменатором не позднее чем за 14 дней до сессии), подготовленный заранее и присланный проверяющему за 72 часа до начала проверки. Работа на семинарах оценивается ведущим семинара субъективно и учитывает активность на семинаре, выступления "у доски", хорошо поставленные вопросы и уместные замечания по ходу рассмотрения материала. Выполнившим задание по семинарским занятиям более, чем на 75 процентов, по усмотрению проверяющего, вопросы к экзамену могут быть зачтены автоматически, а текст доклада принят досрочно. Дистанционный формат со 2-го модуля.
Лабораторные работы 2 модуль
Лабораторные работы выполняются бригадами (по 2 человека) в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ. Этот график и методические описания всех лабораторных работ представлены на сайте Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ в разделе «Учебная лаборатория волновой и квантовой оптики, атомной и ядерной физики» https://miem.hse.ru/edu/ee/physics/metod. Дистанционный формат со 2-го модуля.
Лабораторные работы 1 модуль
Лабораторные работы выполняются бригадами (по 2 человека) в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ. Этот график и методические описания всех лабораторных работ представлены на сайте Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ в разделе «Учебная лаборатория волновой и квантовой оптики, атомной и ядерной физики» https://miem.hse.ru/edu/ee/physics/metod.
Итоговое письменное задание в конце 1 модуля
Итоговое письменное задание состоит из развернутого письменного ответа на теоретический вопрос по выбору (из списка предложенного экзаменатором не позднее чем за 14 дней до сессии), подготовленный заранее и присланный проверяющему за 72 часа до начала проверки. Работа на семинарах оценивается ведущим семинара субъективно и учитывает активность на семинаре, выступления "у доски", хорошо поставленные вопросы и уместные замечания по ходу рассмотрения материала. Выполнившим задание по семинарским занятиям более, чем на 75 процентов, по усмотрению проверяющего, вопросы к экзамену могут быть зачтены автоматически, а текст доклада принят досрочно. Формат дистанционный.
Итоговое письменное задание в конце 2 модуля
Итоговое письменное задание состоит из развернутого письменного ответа на теоретический вопрос по выбору (из списка предложенного экзаменатором не позднее чем за 14 дней до сессии), подготовленный заранее и присланный проверяющему за 72 часа до начала проверки. Работа на семинарах оценивается ведущим семинара субъективно и учитывает активность на семинаре, выступления "у доски", хорошо поставленные вопросы и уместные замечания по ходу рассмотрения материала. Выполнившим задание по семинарским занятиям более, чем на 75 процентов, по усмотрению проверяющего, вопросы к экзамену могут быть зачтены автоматически, а текст доклада принят досрочно. Формат дистанционный.
Экзамен
Экзамен состоит из двух частей: (1)из развернутого письменного ответа на теоретический вопрос по выбору (из списка предложенного экзаменатором не позднее чем за 14 дней до начала экзамена), подготовленный заранее и присланный проверяющему за 72 часа до начала экзамена; и (2) из ответов на экзаменационные вопросы в день экзамена, на которые дается не более 60-ти минут. Работа на семинарах оценивается ведущим семинара субъективно и учитывает активность на семинарах, выступления "у доски", хорошо поставленные вопросы и уместные замечания по ходу рассмотрения материала. Выполнившим задание по семинарским занятиям более, чем на 75 процентов, по усмотрению проверяющего, вопросы к экзамену могут быть зачтены автоматически, а текст доклада принят досрочно.
Письменные практические задания 1 модуль
Задания сгруппированы в два блока, первый блок сдается не позднее недели следующей за той, на которой состоялась серединная лекция модуля. Второй блок – к концу недели окончания курса. Все задачи будут разобраны на семинарских занятиях, но не все во всех академических группах. Так что большую часть задач придется решать самостоятельно. Обмен информацией о способах решения задач приветствуется, если он не сводится к механическому списыванию. При решении задач, можно пользоваться любыми источниками, и вычислительными программами, однако текст должен быть написан лично, то есть, своими словами. Проверяющий оставляет за собой право не снижать процент за ошибку, если видит, что был применен новый и правильный подход к задаче. Если процент выполнения задания превышает 75%, то есть средний бал за задание 7.5 и выше, оно считается сданным полностью. Полностью выполненные задания дают право на досрочную сдачу экзамена (автомат) исключительно на основании письменного ответа на вопрос по выбору. Оценка за совокупность практических заданий является средним арифметическим оценок за каждое из заданий. Оценка за совокупность практических заданий может быть повышена студентам активно выступающим на семинарах.
Письменные практические задания 2 модуль
Задания сгруппированы в два блока, первый блок сдается не позднее недели следующей за той, на которой состоялась серединная лекция модуля. Второй блок – к концу недели окончания курса. Все задачи будут разобраны на семинарских занятиях, но не все во всех академических группах. Так что большую часть задач придется решать самостоятельно. Обмен информацией о способах решения задач приветствуется, если он не сводится к механическому списыванию. При решении задач, можно пользоваться любыми источниками, и вычислительными программами, однако текст должен быть написан лично, то есть, своими словами. Проверяющий оставляет за собой право не снижать процент за ошибку, если видит, что был применен новый и правильный подход к задаче. Если процент выполнения задания превышает 75%, то есть средний бал за задание 7.5 и выше, оно считается сданным полностью. Полностью выполненные задания дают право на досрочную сдачу экзамена (автомат) исключительно на основании письменного ответа на вопрос по выбору. Оценка за совокупность практических заданий является средним арифметическим оценок за каждое из заданий. Оценка за совокупность практических заданий может быть повышена студентам активно выступающим на семинарах.

Промежуточная аттестация

2020/2021 учебный год 3 модуль
0.15 * Письменные практические задания 3 модуль + 0.1 * Лабораторные работы 3 модуль + 0.25 * Экзамен 3 модуль + 0.25 * Итоговое письменное задание 2 модуль + 0.1 * Лабораторные работы 2 модуль + 0.15 * Письменные практические задания 2 модуль
2020/2021 учебный год 4 модуль
0.5 * Экзамен 4 модуль + 0.3 * Письменные практические задания 4 модуль + 0.2 * Лабораторные работы 4 модуль
2021/2022 учебный год 2 модуль
0.15 * Письменные практические задания 2 модуль + 0.15 * Письменные практические задания 1 модуль + 0.125 * Итоговое письменное задание в конце 2 модуля + 0.25 * Итоговое письменное задание в конце 1 модуля + 0.1 * Лабораторные работы 1 модуль + 0.1 * Лабораторные работы 2 модуль + 0.125 * Экзамен

Список литературы

Авторы

Акулин Владимир Михайлович

Программа дисциплины