2012 г. · г. Москва 2012 г. СОДЕРЖАНИЕ 1 ПАСПОРТ...

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор НИЯУ МИФИ

_________ _________

«___» ___________ 2012 г.

Проект образовательной программы

дистанционного обучения

одаренных детей и подростков,

проявивших способности в области физических наук на основе модели

взаимодействия учреждений высшего и общего образования

«Школы партнеры - вуз»

Разработчики:

Е.А. Солодова, д.п.н., к.т.н., профессор, ведущий специалист Ресурсного

центра НИЯУ МИФИ

Цветков И.В., к.ф.-м.н., доцент, начальник управления организации учебной

деятельности и обеспечения приема в университет НИЯУ МИФИ

С.В.Киреев, д.ф.м.н, профессор, профессор каф № 37 НИЯУ МИФИ

С.А.Ганат, к.псих.н., начальник центра внешних коммуникаций и

профориентации НИЯУ МИФИ

В.И. Скрытный, первый заместитель ответственного секретаря приемной

комиссии НИЯУ МИФИ,

А.Н. Долгов, д.ф.-м.н., профессор кафедры физики НИЯУ МИФИ

С.Е. Муравьев, к.ф.-м.н., доцент кафедры теоретической физики НИЯУ

МИФИ

г. Москва 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1 ПАСПОРТ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ

2 ТРЕБОВАНИЯ К СТРУКТУРЕ ПРОГРАММЫ

3 СТРУКТУРА И ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

4 УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ

ПРОГРАММЫ

5 КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ

1. ПАСПОРТ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ

Образовательная Программа дистанционного обучения одаренных

детей и подростков, проявивших способности в области физических наук,

(далее Программа) разработана в рамках исполнения обязательств по

Государственному контракту № ГК.03.Р20.11.0072 от 03 октября 2011 г. по

проекту «Разработка и внедрение моделей взаимодействия учреждений

высшего профессионального и общего образования по реализации

общеобразовательных программ старшей школы, ориентированных на

развитие одаренности у детей и подростков на базе дистанционных школ при

национальных исследовательских университетах», по лоту №11 «Разработка

и внедрение моделей взаимодействия учреждений высшего

профессионального и общего образования по реализации

общеобразовательных программ старшей школы, ориентированных на

развитие одаренности у детей и подростков на базе дистанционной школы

при национальном исследовательском университете по следующим

академическим направлениям: физическое, технологическое», в рамках

подмероприятия 2.1. «Формирование системы взаимодействия университетов

и учреждений общего образования по реализации общеобразовательных

программ старшей школы, ориентированных на развитие одаренности у

детей и подростков» мероприятия 2 «Распространение на всей территории

Российской Федерации современных моделей успешной социализации

детей» задачи 1 «Модернизация общего и дошкольного образования как

института социального развития», Федеральной целевой программы

развития образования на 2011-2015 годы, утвержденной постановлением

Правительства Российской Федерации от 7 февраля 2011 г. № 61.

Цель Программы: дистанционное обучение и развитие

интеллектуально одаренных детей и подростков, проявивших способности в

области физических наук, средствами единой информационной

образовательной среды дистанционных форм обучения НИЯУ МИФИ.

Задачи Программы:

1. Реализация образовательных модульных программ старшей школы,

ориентированных на развитие одаренности у детей и подростков,

расширяющих кругозор, вызывающих повышенный интерес у школьников и

усиливающих их мотивацию к обучению, позволяющих обеспечить процесс

профессионального самоопределения на базе дистанционной школы при

НИЯУ МИФИ.

2. Образование одаренных детей и подростков, проявивших

способности в области физических наук, с учетом их интересов и запросов,

обеспечивающее их профессиональную ориентацию, адаптацию к жизни в

обществе, направленное на формирование и развитие их творческих

способностей, удовлетворение их индивидуальных потребностей в

интеллектуальном, нравственном совершенствовании, а также организацию

их свободного времени в системе взаимодействия учреждений высшего и

общего образования по физическому профилю средствами единой

информационной образовательной среды дистанционного обучения «ДАР»

НИЯУ МИФИ.

3. Использование в процессе различных форм взаимодействия

участников образовательного процесса, инновационных, авторских

педагогических технологий, современных форм и методов развития

мотивации к обучению и формированию одаренности у детей и подростков в

рамках моделей взаимодействия учреждений высшего профессионального и

общего образования на базе дистанционной школы при НИЯУ МИФИ.

4. Своевременное выявление и педагогическая поддержка одарённых и

мотивированных детей и подростков; совершенствование системы их

выявления и сопровождения, их специальной поддержки.

5. Создание психолого-педагогических условий для личностного

развития и самореализации одаренных детей в процессе обучения и

воспитания, расширение возможности реализации интеллектуальных,

творческих и организаторских способностей одарённых детей в олимпиадах,

научно – практических конференциях, интеллектуальных играх и конкурсах,

творческих выставках, соревнованиях и состязаниях различных уровней и

предметной направленности.

6. Вовлечение все большего количества учащихся в проектную и

исследовательскую деятельность.

7. Популяризация современных достижений науки и техники.

2. ТРЕБОВАНИЯ К СТРУКТУРЕ ПРОГРАММЫ

2.1 Пояснительная записка

Модернизация образования РФ – это долгосрочный комплексный

проект, в основе которого лежит реализация педагогических инноваций.

Последние продиктованы реалиями времени – стремительно развивающееся

информационное общество запрашивает мобильного, инновационно-

мыслящего выпускника, способного эффективно работать в команде и

самостоятельно. Создание условий, обеспечивающих выявление и развитие

одаренных детей и подростков, реализацию их потенциальных

возможностей, является одной из приоритетных социальных задач.

Говоря об одаренных детях, имеются в виду дети с повышенным

уровнем развития интеллектуальных, творческих и социально-

личностных способностей, а также дети со скрытыми возможностями.

Одаренные дети - ценная, но хрупкая часть нашего общества, один из его

важнейших ресурсов. Одаренные дети представляют собой потенциал

российского общества, от них зависит, как будут развиваться наука, техника

и культура в будущем. Работа с такими детьми очень сложна, во многом

ведется интуитивно, с трудом поддается систематизации.

Как показывает практика, для их успешного интеллектуального

развития сегодня недостаточно наличия хорошо организованной

систематической напряженной общеобразовательной работы в школе.

В современной педагогической организации обучения интеллектуально

одаренных детей и подростков в любой области знаний выделяют

следующие принципы:

Принцип развивающего и воспитывающего обучения. Этот

принцип означает, что цели, содержание и методы обучения должны

способствовать не только усвоению знаний и умений, но и познавательному

развитию, а также воспитанию личностных качеств учащихся.

Принцип индивидуализации и дифференциации обучения. Он

состоит в том, что цели, содержание и процесс обучения должны как можно

более полно учитывать индивидуальные и типологические особенности

учащихся. Реализация этого принципа особенно важна при обучении

одаренных детей, у которых индивидуальные различия выражены в яркой и

уникальной форме.

Принцип учета возрастных возможностей. Этот принцип

предполагает соответствие содержания образования и методов обучения -

специфическим особенностям одаренных учащихся на разных возрастных

этапах, поскольку их более высокие возможности могут легко провоцировать

завышение уровней трудности обучения, что может привести к

отрицательным последствиям.

В настоящее время педагогическая практика требует необходимости

применения в учебном процессе современных учебных средств и

интенсивных педагогических технологий, в использовании которых

задействованы современные информационные средства и технологии.

Одаренные школьники могут получать дополнительное образование в

интересующей их предметной области на основе дистанционных

образовательных технологий. Современные дистанционные образовательные

технологии стирают географические и временные границы, что дает ребенку

возможность получить качественное образование, основанное на

систематическом взаимодействии с преподавателем при реализации

различных форм деятельности (лекции, практические занятия,

контролирующие мероприятия, консультации) в режимах реального и

отложенного времени. Главной особенностью такой модели построения

учебного процесса модели является не сам факт пространственного

разъединения преподавателя и ученика, а то обстоятельство, что их

совместная учебная деятельность происходит только в виртуальной

информационно-образовательной среде. Основным преимуществом

дистанционного обучения является возможность обучаемого проходить курс

в удобное для него время и в оптимальном для усвоения режиме и темпе. В

этом случае индивидуальный подход в обучении реализуется в полной мере.

В процессе обучения преподаватели проводят лекции, консультации,

семинары и практические занятия в режимах on-line или off-line, организуют

выполнение проверочных и контрольных заданий. Наличие постоянной

обратной связи делает образовательный процесс наиболее эффективным.

Основными дидактическими средствами являются разработанные учебники и

учебные пособия, представленные в электронном виде и доступные

школьникам через систему сопровождения.

Для дифференциации содержания образования одаренных детей и

подростков, проявивших способности в различные академических областях

наук, при разработке индивидуальных образовательных программ в старшей

школе требуется введение помимо профильных общеобразовательных

программ образовательных программ по развитию одаренности,

составленных с учетом уровня подготовленности, направленности интересов

и охватывающих соответствующее академическое направление.

Образовательные программы для индивидуальной работы с

одаренными детьми и подростками — составная (вариативная) часть

сущностно мотивированного образования, позволяющая обучающемуся

приобрести устойчивую потребность в познании и творчестве, максимально

реализовать себя, самоопределиться профессионально и личностно.

Набор таких Программ на основе базовых общеобразовательных

предметов составит индивидуальную образовательную траекторию для

каждого одаренного школьника.

Они выполняют три основные функции:

1) развивают содержание одного из базисных курсов, изучение

которого осуществляется на минимальном общеобразовательном уровне, что

позволяет изучать выбранный предмет на профильном уровне и получить

дополнительную подготовку для сдачи единого государственного экзамена

по выбранному предмету на профильном уровне;

2) «надстройки» профильного курса, когда такой дополненный

профильный курс становится в полной мере углубленным;

3) способствует удовлетворению познавательных интересов в

выбранной академической области наук.

Программа образования одаренных детей и подростков в системе

взаимодействия учреждений высшего и общего образования на базе

дистанционной школы при НИЯУ МИФИ с использование традиционных и

инновационных моделей взаимодействия учреждений высшего и общего

образования направлена на развитие одаренности детей и подростков,

проявивших способности в области физических наук.

Модульность структуры Программы обеспечивает углубление и

расширение знаний по предмету. Выбор учащегося определяет цели и

содержание учебного плана:

1) углубленное изучение предмета, имеющее как тематическое, так и

временное согласование с этим учебным предметом;

2) углубленное изучение отдельных разделов основного курса,

входящие в обязательную программу данного предмета;

3) углубленное изучение отдельные разделы основного курса, не

входящие в обязательную программу данного предмета;

4) знакомство учащихся с важнейшими путями и методами применения

знаний на практике, развитие интереса учащихся к современной технике и

производству;

5) изучение методов решения задач, составлению и решению задач на

основе эксперимента.

Принцип модульности обучения предполагает цельность и

завершённость, полноту и логичность построения единиц учебного

материала в виде блоков-модулей, внутри которых учебный материал

структурируется в виде системы учебных элементов. Из блоков-модулей, как

из элементов, конструируется образовательный курс по предмету. Элементы

внутри блока-модуля взаимозаменяемы и подвижны.

Основная цель модульной системы обучения – формирование у детей и

подростков навыков самообразования. Весь процесс строится на основе

осознанного целеполагания и самоцелеполагания с иерархией ближних

(знания, умения и навыки), средних (общеучебные умения и навыки) и

перспективных (развитие способностей личности) целей. Каждый учащийся

в рамках модульной системы может самостоятельно работать с

предложенной ему индивидуальной учебной программой, включающей в

себя целевой план действий, банк информации и методическое руководство

по достижению поставленных дидактических целей.

Обладая открытостью, мобильностью и гибкостью, модульная система

образования одаренных детей и подростков способна быстро и точно

реагировать на образовательный запрос семьи, решая задачи адаптации

одаренных детей и подростков к жизни в обществе, способствуя

формированию общей культуры, позволяя организовать содержательный

досуг.

Физика – лидер естествознания, этим определяется ее значение в

формировании научного мировоззрения. Физическое мышление отличается

совершенством и сбалансированностью качественного и количественного

анализа явлений природы. Физика занимает ведущее место среди всех других

естественных наук, т.к. изучает наиболее фундаментальные и универсальные

законы взаимодействия частиц и полей, лежащие в основе всех других

явлений: химических, биологических и других. Некоторые физические

законы и закономерности являются в определенном смысле окончательными:

законы Ньютона, молекулярно–кинетическая теория, уравнения Максвелла,

т.к. любая новая физическая теория сводится к прежней в той области

эмпирического знания, где старая теория выдержала проверку

экспериментом. Поэтому изучение физики вызывает интерес учащихся, давая

им обширные практические навыки.

Для решения задач формирования основ научного мировоззрения,

развития интеллектуальных способностей и познавательных интересов

школьников в процессе изучения физики необходимое внимание следует

уделять знакомству с методами научного познания окружающего мира,

постановке проблем, требующих от учащихся самостоятельной деятельности

по их разрешению.

Гуманитарное значение физики как составной части общего

образовании состоит в том, что она вооружает школьника научным методом

познания, позволяющим получать объективные знания об окружающем мире.

Знание физических законов необходимо для изучения химии,

биологии, физической географии, технологии, ОБЖ.

Образовательный процесс строится на использовании следующих

педагогических технологий:

Технология компьютерной поддержки уроков физики.

Личностно-ориентированные технологии обучения.

Технологии концентрированного обучения.

Объяснительно-иллюстративные технологии.

Технология преподавания предметов на основе интегративных

признаков.

Технология развития критического мышления.

Технология проектного метода обучения.

Программа ориентирована: на учащихся 7-9-х классов.

Тип Программы: программа дополнительного образования.

Назначение Программы: для обучающихся образовательная программа

обеспечивает реализацию их права на информацию об образовательных

услугах, права на выбор образовательных услуг и права на гарантию качества

получаемых услуг.

Срок освоения Программы: 1 год.

Минимальный обязательный объем учебной нагрузки: 72

академических часа.

Форма обучения: очно/заочная.

Продолжительность одного занятия - 45 мин.

Режим занятий: продолжительность и количество занятий – 2

академических часа в неделю.

Возможно изучение отдельных модулей Программы.

Формы контроля: текущий контроль, итоговый контроль, оценка

результативности обучения по выбранным параметрам.

Программа включает в себя:

пояснительную записку;

модули, составляющие инвариантную (общие для всех возрастных

групп по заданным академическим профилям) и вариативную (отражающих

специфику физического профиля обучения);

примерный календарно-тематический, индивидуальный учебный план

Программы и каждого модуля, входящего в состав Программы,

составленного на основе модульного принципа комплектования программ, с

учетом распределения часов на лекционные занятия, практические занятия,

самостоятельную работу учащихся на основе использования ресурсов единой

информационной образовательной среды дистанционного обучения НИЯУ

МИФИ;

базу тестовых и контрольных заданий в структуре каждого модуля

для организации контроля достижения результатов обучающихся по итогам

изучения инвариантного и каждого вариативного модуля;

задания для самопроверки;

методические указания по изучению разделов (тем);

электронный контент;

ссылки на источники информационного сопровождения (учебная и

техническая литература, обучающие программы, электронные библиотеки).

Инвариантная составляющая в настоящей Программе включает три

модуля:

Модуль 1.1. "Углубленное изучение физики по государственным

программам для соответствующей возрастной группы".

Модуль 1.2. «Организация подготовки к ГИА по физике".

Модуль 1.3. "Организация подготовки к олимпиадам по

физическому профилю".

Вариативная составляющая отражает предпрофильную специфику

образования и содержит модули, обеспечивающие расширение спектра услуг

по развитию одаренности детей и подростков, максимальную интеграцию и

индивидуализацию процесса образования, и может быть использована при

разработке дополнительных образовательных программа предпрофильной

подготовки в ОУ, гимназиях, лицеях, в ОУ дополнительного образования

детей, специализированных центрах.

Вариативная составляющая в настоящей Программе включает

следующие модули:

Модуль 2.1 " Организация подготовки к физическому туру

олимпиады “Росатом” школьников средствами дистанционной среды НИЯУ

МИФИ в рамках модели «Школы партнеры – вуз»"

Модуль 2.2. "Использование курса довузовской подготовки

“Металлические порошки и наноматериалы” средствами дистанционного

обучения НИЯУ МИФИ в рамках модели «Школы партнеры – вуз»,

обеспечивающего формирование специализированных интересов в данной

области знаний, проектной и исследовательской деятельности"

Модуль 2.3 " Организация подготовки к ГИА по физике

средствами дистанционной школы при НИЯУ МИФИ при реализации

модели взаимодействия «Школы партнеры – вуз»"

Порядок включения предложенных модулей может быть любым, в

зависимости от возраста одаренного учащегося, его интересов,

индивидуальных потребностей, методов работы конкретного преподавателя.

Образовательная составляющая модулей ориентирована на более

глубокое и осмысленное изучение практических и теоретических вопросов

физики. Программа конкретизирует содержание предметных тем

образовательного стандарта на профильном уровне.

Курс физики в настоящей Программе структурируется на основе

физических теорий по разделам: механика, молекулярная физика,

электродинамика, электромагнитные колебания и волны.

В результате изучения физики учащийся должен знать/понимать:

• смысл понятий: физическое явление, физическая величина, модель,

гипотеза, принцип, постулат, теория, пространство, время, инерциальная

система отсчета, материальная точка, вещество, взаимодействие, идеальный

газ, резонанс, электромагнитные колебания, электромагнитное поле,

электромагнитная волна, атом, квант, фотон, атомное ядро, дефект массы,

энергия связи, радиоактивность, ионизирующее излучение, планета, звезда,

галактика* Вселенная;

• смысл физических величин: перемещение, скорость, ускорение,

масса, сила, давление, импульс, работа, мощность, механическая энергия,

момент силы, период, частота, амплитуда колебаний, длина волны,

внутренняя энергия, средняя кинетическая энергия частиц вещества,

абсолютная температура, количество теплоты, удельная теплоемкость,

удельная теплота парообразования, удельная теплота плавления, удельная

теплота сгорания, элементарный электрический заряд, напряженность

электрического поля, разность потенциалов, электроемкость, энергия

электрического поля, сила электрического тока, электрическое напряжение,

электрическое сопротивление, электродвижущая сила, магнитный поток,

индукция магнитного поля, индуктивность, энергия магнитного поля,

показатель преломления, оптическая сила линзы;

• смысл физических законов, принципов и постулатов

(формулировка, границы применимости): законы динамики Ньютона,

принципы суперпозиции и относительности, закон Паскаля, закон Архимеда,

закон Гука, закон всемирного тяготения, законы сохранения энергии,

импульса и электрического заряда, основное уравнение кинетической теории

газов, уравнение состояния идеального газа, законы термодинамики, закон

Кулона, закон Ома для полной цепи, закон Джоуля-Ленца, закон

электромагнитной индукции, законы отражения и преломления света,

постулаты специальной теории относительности, закон связи массы и

энергии, законы фотоэффекта, постулаты Бора, закон радиоактивного

распада;

• вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее

влияние на развитие физики;

уметь

• описывать и объяснять результаты наблюдений и

экспериментов: независимость ускорения свободного падения от массы

падающего тела; нагревание газа при его быстром сжатии и охлаждение при

быстром расширении; повышение давления газа при его нагревании в

закрытом сосуде; броуновское движение; электризация тел при их контакте;

взаимодействие проводников с током; действие магнитного поля на

проводник с током; зависимость сопротивления полупроводников от

температуры и освещения; электромагнитная индукция; распространение

электромагнитных волн; дисперсия, интерференция и дифракция света;

излучение и поглощение света атомами, линейчатые спектры; фотоэффект;

радиоактивность;

• приводить примеры опытов, иллюстрирующих, что: наблюдения

и эксперимент служат основой для выдвижения гипотез и построения

научных теорий; эксперимент позволяет проверить истинность

теоретических выводов; физическая теория дает возможность объяснять

явления природы и научные факты; физическая теория позволяет

предсказывать еще неизвестные явления и их особенности; при объяснении

природных явлений используются физические модели; один и тот же

природный объект или явление можно исследовать на основе использования

разных моделей; законы физики и физические теории имеют свои

определенные границы применимости;

• описывать фундаментальные опыты, оказавшие существенное

влияние на развитие физики;

• применять полученные знания для решения физических задач;

• определять: характер физического процесса по графику, таблице,

формуле; продукты ядерных реакций на основе законов сохранения

электрического заряда и массового числа;

• приводить примеры практического применения физических

знаний: законов механики, термодинамики и электродинамики в энергетике;

различных видов электромагнитных излучений для развития радио- и

телекоммуникаций; квантовой физики в создании ядерной энергетики,

лазеров;

• воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно

оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, научно-

популярных статьях; использовать новые информационные технологии для

поиска, обработки и предъявления информации по физике в компьютерных

базах данных и сетях (сети Интернет);

использовать приобретенные знания и умения в практической

деятельности и повседневной жизни для:

• обеспечения безопасности жизнедеятельности в процессе

использования транспортных средств, бытовых электроприборов, средств

радио- и телекоммуникационной связи;

• анализа и оценки влияния на организм человека и другие организмы

загрязнения окружающей среды;

• рационального природопользования и защиты окружающей среды;

• определения собственной позиции по отношению к экологическим

проблемам и поведению в природной среде.

2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

2.1 Объем учебной нагрузки и виды учебной работы

Виды учебной работы Объем часов

Минимальная учебная нагрузка (всего) 48

Обязательная учебная нагрузка (всего) 36

в том числе:

лабораторные занятия 10

практические занятия 10

контрольные занятия 6

зачетные занятия 6

Самостоятельная работа обучающегося (всего) 12

в том числе:

практические работы, лабораторные работы

работа с учебной литературой, подготовка рефератов,

сообщений, докладов, презентаций по темам, выполнение

индивидуальных заданий, решение задач

научно-исследовательская, проектная деятельность

12

2.2 Структура Программы

№ Наименование разделов и тем Всего В том числе Формы

п/ п часов

Лекци

и

Практ

ическ

ие

занят

ия

Самос

тояте

льная

внеау

дитор

ная

работ

а

контрол

я

1 2 3 4 5 6 7

1. Инвариантная часть

Дополнительное образование одаренных учащихся, проявивших

способности в области физических наук

Модуль 1.1.

Углубленное изучение физики

учащимися 7-9 классов

8 5 1

2

Модуль 1.2

Подготовка к ГИА по физике

8 6

2

Модуль 1.3

Подготовка к олимпиадам по

физическому профилю

8 6 2

2. Вариативная часть

Профильная подготовка одаренных учащихся, проявивших

способности в области физических наук

Модуль 2.1

Организация подготовки к

физическому туру олимпиады

“Росатом” школьников средствами

дистанционной среды НИЯУ

МИФИ в рамках модели «Школы

партнеры – вуз»

12 6 6

Модуль 2.2.

Использование курса довузовской

подготовки “Металлические

порошки и наноматериалы”

средствами дистанционного

12 10 2

обучения НИЯУ МИФИ в рамках

модели «Школы партнеры – вуз»,

обеспечивающего формирование

специализированных интересов в

данной области знаний, проектной

и исследовательской деятельности

Модуль 2.3

Организация подготовки к ГИА по

физике средствами дистанционной

школы при НИЯУ МИФИ при

реализации модели взаимодействия

«Школы партнеры – вуз»

12 4 8

Всего 36 14 22 12

2.3 Примерный учебный план

№

п/п

Наименование модулей и тем

Всего,

часов

Объем времени, отведенный на освоение предмета

Учебная нагрузка обучающегося Самостоятельная

работа

обучающегося

Всего,

часов

Лекции в т.ч. лаб.

работы и

практ.

занятия

в т.ч.

курсовая

работа

(проект)

Всего,

часов

в т.ч.

курсовая

работа

(проект)

Модуль 1.1.

Углубленное изучение физики в 7-9

классах

8 8 4 2 2

Тема 1

Колебания волны

Тема 2

Оптика

Тема 3

Квантовая физика

Тема 4

Строение и эволюция Вселенной

Модуль 1.2


Модуль 1.2


8 8 6 2

Тема 1

Механика

Тема 2

Молекулярная физика

Тема 3

Электродинамика

Тема 4

Решение комплексных задач

Модуль 1.3

Подготовка к олимпиадам по


8 8 6 2

Тема 1

Относительность движения

Тема 2

Системы отсчета. Переход из одной

системы в другую

Тема 3

Нормальная и тангенциальная

составляющие ускорения

Тема 4

Выбор системы координат

Тема 5

Центр масс и его свойства

Тема 6

Принцип суперпозиции в кинематике

Тема 7

Принцип суперпозиции в динамике

Тема 8

Принцип суперпозиции в электростатике

Тема 9

Кинематика гармонических колебаний

Тема 10

Динамика гармонических колебаний

Тема 11

Элементы статики. Условия равновесия

тел

Тема 12

Закон сохранения импульса

Тема 13

Закон сохранения и превращения энергии

Тема 14

Упругий и неупругий удар

Тема 15

Тепловые процессы и фазовые изменения

вещества

Тема 16

Основы термодинамики

Тема 17

Законы состояния идеального газа

Тема 18

Электростатическое поле и его

характеристики

Тема 19

Магнитное поле и его характеристика

Тема 20

Движение заряженной частицы в

электрическом поле

Тема 21


магнитном поле

Тема 22


электрическом и магнитном поле

Тема 23

Расчеты электрических цепей

Тема 24

Закон сохранения и превращения энергии

в применении к электрическим явлениям

Тема 25

Закон электромагнитной индукции

Тема 26

Законы геометрической оптики

Тема 27

Зеркала, линзы, оптические приборы

Модуль 2.1

Организация подготовки к

физическому туру олимпиады

“Росатом” школьников средствами

дистанционной среды НИЯУ МИФИ в

рамках модели «Школы партнеры –

вуз»

8 8 6 2

Тема 1

Методика решения сложных

олимпиадных задач по механике.

Тема 1.1. Решение задач по статике и

гидростатике.

Тема 1.2. Применение кинематических

связей при решении олимпиадных задач из

раздела “Механика”.

Модуль 2.2.

Использование курса довузовской

подготовки “Металлические порошки и

наноматериалы” средствами

дистанционного обучения НИЯУ


партнеры – вуз», обеспечивающего

формирование специализированных

интересов в данной области знаний,

проектной и исследовательской

деятельности

8 8 3 3 2

Тема 1

Методы получения металлических

порошков, наноматериалов и изделий

из них

Тема 1.1. Методы синтеза металлических

порошков.

Тема 1.2. Методы получения объемных

нанокристаллических материалов

Тема 2

Нанотехнологии в современном мире

Тема 2.1. Современные области

применения металлических порошков и

наноматериалов.

Тема 2.2. Разработка и применение

конструкционных и функциональных

объемных наноматериалов.

Модуль 2.3

Организация подготовки к ГИА по

физике средствами дистанционной

школы при НИЯУ МИФИ при

реализации модели взаимодействия


8 8 3 3 2

Тема 1. Особенности изучения раздела

“Тепловые явления”.

Тема 2. Методика подготовки к ГИА

раздела «Электрические явления»

2.4 Примерный календарно-тематический план

№

п/п

Наименование модулей

и тем

Содержание учебного материала, лабораторные и

практические работы, самостоятельная работа

обучающихся

Объем

часов

Дата Уровень

усвоения

Модуль 1.1.

Углубленное изучение

физики в 7-9 классах

8

Лабораторные работы Виртуальные лабораторные работы по темам 2

Практические занятия

(Семинары)

Мультимедийные сопровождения тем 2

Самостоятельная работа Самостоятельная работа по темам 2

Перечень

рекомендуемых

Данная программа составлена на основе программы по

физике для 7-9 классов общеобразовательных

учебных изданий,

Интернет-ресурсов,

дополнительной

литературы

учреждений (базовый уровень).

Федеральный компонент государственных

образовательных стандартов начального общего,

основного общего и среднего (полного) общего

образования (утвержден приказом Минобрнаукиот

05.03.2004г. № 1089).

Концепция модернизации российского образования на

период до 2010 года и Концепция профильного

обучения на старшей ступени общего образования

(приказ МО РФ от 18.07.2002 № 2783).

Примерные программы по физике (письмо

Департамента государственной политики в образовании

Минобрнауки России от 07.07.2005г. № 03-1263)

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М. Чаругин. Физика – 11,

М.: Просвещение, 2010 г. Дополнительная литература:

Сауров Ю.А. Физика в 11 классе: Модели уроков: Кн.

Для учителя. – М.: Просвещение, 2005

Левитан Е.П. Астрономия: учеб.для 11кл.

общеобразоват. учреждений / Е.П.Левитан.— 10-е

изд.— М.: Просвещение, 2005.— 224с.

В. А. Коровин, В. А. Орлов "Оценка качества

подготовки выпускников средней (полной) школы. М.:

изд-во "Дрофа" – 2001 г

Контрольные работы по физике в 7-11 классах средней

школы: Дидактический материал. Под ред. Э.Е.

Эвенчик, С.Я. Шамаша. – М.: Просвещение, 1991.

Кабардин О.Ф., Орлов В.А.. Физика. Тесты. 10-11

классы. – М.: Дрофа, 2000.

Дополнительная литература:

Н.Н. Тулькибаева, А.Э. Пушкарев, М.А. Драпкин, Д.В.

Климентьев. ЕГЭ: Физика:Тестовые задания для

подготовки к ЕГЭ: 10-11 классы. – М.: Просвещение,

2004

В.А. Орлов, Н.К. Ханнанов, Г.Г. Никифоров. Учебно-

тренировочные материалы для подготовки к ЕГЭ.

Физика. – М.: Интеллект-Центр, 2005

И.И. Нупминский. ЕГЭ: физика: контрольно-

измерительные материалы: 2005-2006. – М.:

Просвещение, 2006

В.Ю. Баланов, И.А. Иоголевич, А.Г. Козлова. ЕГЭ.

Физика: Справочные материалы, контрольно-

тренировочные упражнения, задания с развернутым

ответом.– Челябинск: Взгляд, 2004

ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ

http://www.alleng.ru/edu/phys2.htm

http://exir.ru/education.htm

http://www.alleng.ru/d/phys/phys52.htm

http://www.ph4s.ru/book_ab_ph_zad.html

http://www.abitura.com/textbooks.html

http://tvsh2004.narod.ru/phis_10_3.htm

http://fizzzika.narod.ru

Тема 1

Колебания и волны Механические колебания

Периодические колебания. Свободные и вынужденные

колебания. Гармонические колебания. Смещение,

амплитуда, частота, период и фаза колебаний. Уравнение







http://fizzzika.narod.ru/

гармонических колебаний. Графики движений.

Свободные колебания. Пружинный маятник.

Математический маятник. Определение собственной

частоты колебаний.

Сложение гармонических колебаний, происходящих

вдоль одной прямой и в двух взаимно

перпендикулярных направлениях. Метод векторных

амплитуд.

Превращение энергии при колебательном движении.

Связь энергии с амплитудой.

Затухающие колебания. График затухающих колебаний.

Автоколебания.

Вынужденные колебания. Частота установившихся

колебаний. Зависимость амплитуды от частоты

вынуждающей силы. Резонанс и его учет в технике.

Механические волны

Распространение колебаний в упругой среде.

Поперечные и продольные волны. Длина волны.

Скорость распространения волн. Связь скорости

распространения волн с длиной волны и частотой.

Фронт волны. Волновая поверхность. Плоские и

сферические волны. Уравнение плоской гармонической

волны. Поток энергии, интенсивность волны.

Звуковые волны. Скорость звука. Громкость. Высота

тока. Тембр. Принцип Гюйгенса. Отражение волн. Эхо.

Интерференция волн. Стоячие волны. Колебания

струны.

Демонстрации по теме «Колебания и волны»

Свободные колебания груза на нити и на пружине.

Запись колебательного движения.

Вынужденные колебания.

Резонанс.

Поперечные и продольные волны.

Отражение и преломление волн.

Дифракция и интерференция волн.

Частота колебаний и высота тона звука.

Переменный ток. Производство и передача электрической

энергии. ЭДС индукции в рамке, вращающейся в магнитном

поле. Генератор переменного тока. Действующее

значение силы тока в напряжении. Активное

сопротивление, индуктивность и емкость в цепи

переменного тока. Векторные диаграммы. Резонанс

напряжений.

Принцип действия трансформатора. Производство,

передача и потребление электрической энергии.

Выпрямление переменного тока. Генератор постоянного

тока. Электродвигатели и электрогенераторы.

Свободные электромагнитные колебания

Свободные незатухающие колебания в

электрическом контуре. Превращение энергии в

колебательном контуре. Аналогия между

электрическими и механическими колебаниями.

Собственная частота и период колебаний в контуре.

Затухающие колебания в электрическом контуре.

Вынужденные колебания. Резонансные явления.

Электромагнитные волны

Связь между электрическим и магнитным полями.

Вихревое электрическое поле.

Электромагнитное поле.

Механизм образования электромагнитных волн. Опыты

Герца. Свойства электромагнитных волн. Скорость,

поток энергии и плотность потока энергии

электромагнитных волн.

Принцип радиосвязи. Простейший радиоприемник.

Радиолокация. Телевидение.

Тема 2

Оптика Геометрическая оптика

Свет как электромагнитная волна. Скорость света.

Диапазон частот и длин волн видимого света.

Приближения геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света, закон

обратимости световых лучей.

Законы отражения света. Плоское зеркало, построение

изображения в нем.

Сферическое зеркало. Фокус. Построение изображения в

сферическом зеркале.

Законы преломления света. Абсолютный и

относительный показатели преломления. Полное

внутреннее отражение. Призмы. Прохождение света

через плоскопараллельную пластину.

Скорость распространения света в различных средах.

Оптическая плотность среды. Дисперсия света.

Тонкие линзы. Оптическая сила тонкой линзы.

Диоптрия. Собирающие и рассеивающие линзы.

Построение изображения в линзах. Формула тонкой

линзы. Увеличение.

Оптические приборы. Проекционный аппарат.

Фотографический аппарат. Глаз как оптическая система.

Очки. Лупа.

Зрительная труба. Микроскоп. Разрешающая

способность оптических приборов.

Волновые свойства света Скорость света в вакууме и веществе. Вывод законов

преломления и отражения на основе волновых

представлений.

Интерференция света. Понятие когерентности

световых волн. Примеры когерентных источников

света. Бипризма Френеля.

Способы разделения света на когерентные пучки: опыт

Юнга, бизеркало Френеля.

Интерференция в тонкой плёнке. Цвета тонких пленок

Применение интерференции в технике.

Дифракция света. Дифракционная решетка.

Определение длины световой волны.

Поляризация света.

Излучение и спектры

Распределение энергии в спектре излучения. Непрерывный и линейчатый спектры. Спектры

испускания и поглощения. Спектральный анализ и его

применение. Инфракрасное и ультрафиолетовое

излучение. Рентгеновское излучение, его свойства и

применение. Шкала электромагнитных волн.

Демонстрации Свободные электромагнитные колебания.

Генератор переменного тока.

Трансформатор.

Излучение и прием электромагнитных волн.

Отражение и преломление электромагнитных волн.

Интерференция и дифракция электромагнитных волн.

Поляризация электромагнитных волн.

Полное внутреннее отражение света.

Получение спектра с помощью призмы.

Получение спектра с помощью дифракционной решетки.

Поляризация света.

Спектроскоп.

Фотоаппарат.

Проекционный аппарат.

Микроскоп.

Лупа.

Телескоп.

Тема 3

Квантовая физика Квантовые свойства света

Гипотеза М. Планка о квантах. Энергия квантов света

и ее связь с частотой. Постоянная Планка. Фотон, его

энергия и импульс. Давление света. Опыты Лебедева и

Вавилова.

Фотоэлектрический эффект и его законы. Опыты

А.Г.Столетова. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Вакуумный и полупроводниковый фотоэлементы.

Применение фотоэффекта в технике.

Развитие взглядов на природу света.

Основы атомной физики

Опыты Резерфорда. Планетарная ядерная модель

атома.

Спектры излучения атомарного водорода. Спектральные

закономерности.

Постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору.

Трудности теории Бора.

Волновые свойства микрочастиц. Гипотеза де Бройля.

Дифракция электронов. Соотношение

неопределенностей Гейзенберга. Корпускулярно-

волновой дуализм. Развитие квантовых представлений о

микрочастицах

Излучение и поглощение света атомами. Спонтанное

и вынужденное излучение. Лазеры.

Элементы ядерной физики

Строение атомного ядра. Нуклоны. Изотопы. Ядерное

взаимодействие. Нуклонная модель ядра. Энергия связи

и дефект массы. Ядерные спектры.

Ядерные реакции. Цепная реакция деления ядер.

Критическая масса. Ядерная энергетика. Термоядерный

синтез.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Статистический характер процессов в микромире

Период полураспада.

Альфа-распад. Бета-распад. Гамма- излучение.

Дозиметрия. Биологическое действие

радиоактивных излучений. Понятие о дозе излучения

и биологической защите.

Элементарные частицы и методы их регистрации

Электрон и позитрон. Античастицы. Рождение и

аннигиляция частиц. Нестабильные частицы. Простые и

составные частицы. Лептоны и адроны. Кварки.

Фундаментальные взаимодействия. Законы сохранения

в микромире. Взаимодействие частиц при больших

энергиях.

Ускорители. Экспериментальные методы регистрации

частиц. Счетчик Гейгера. Камера Вильсона.

Пузырьковая и искровая камеры, сцинтилляционные

счетчики.

Демонстрации

Фотоэффект:

Линейчатые спектры излучения.

Лазер.

Счетчик ионизирующих частиц.

Камера Вильсона.

Фотографии треков заряженных частиц.

Тема 4

Строение и эволюция

Вселенной

Основы астрономии и астрофизики

Предмет астрономии. Развитие астрономии.

Наблюдательная астрономия. Видимые движения

светил. Небесные координаты. Звездная карта. Суточное

движение светил. Высота светил в кульминации.

Годичное движение Солнца. Эклиптика. Видимое

движение и фазы луны. Солнечные и лунные затмения.

Время и календарь. Астрономические методы

определения географических координат.

Движение небесных тел Солнечной системы. Ее

структура и масштабы.

Определение расстояний до небесных тел и их

размеров. Законы Кеплера. Определение масс небесных

тел. Методы астрофизических исследований.

Наблюдения в различных участках спектра.

Внеатмосферная астрономия. Определение состава и

скорости небесных тел по их спектрам.

Строение и свойства звезд. Термоядерные реакции в

звездах. Современные представления о происхождении

и эволюции Солнца и звезд. Наша Галактика – Млечный

путь.

Звездные скопления. Галактики. Межзвездная материя.

Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной.

Применимость законов физики для объяснения природы

космических объектов. «Красное смещение» в спектрах

галактик.

Современные взгляды на строение и эволюцию

Вселенной. Плотность вещества во вселенной.

Расширение Вселенной. Большой взрыв. Реликтовое

излучение. Темная материя.

Лабораторная работа

Моделирование траекторий космических аппаратов с

помощью компьютера.

Модуль 1.2

Подготовка к ГИА по

8

физике

Лабораторные работы Виртуальные лабораторные работы по темам


(Семинары)

Мультимедийные сопровождения тем 8

Самостоятельная работа Самостоятельная работа по темам 2

Н.П.Калашников, С.Е.Муравьев «Начала физики,

учебник и задачник по подготовке к ЕГЭ по физике»,

2012 (в печати)

ЕГЭ-2012. Физика/ ФИПИ. Авторы-составители:

В.А.Грибов – М.: Астрель, 2011

ЕГЭ. Физика. Тематические тестовые задания/ ФИПИ.

Авторы: Николаев В.И., Шипилин А.М. - М.: Экзамен,

2011

ЕГЭ-2012. Физика. 10 типовых вариантов

экзаменационных работ/ ФИПИ. Авторы: Демидова

М.Ю., Нурминский И.И., Грибов В.А.– М.:

Национальное образование, 2011



М.Ю., Нурминский И.И., Грибов В.А. – М.:

Национальное образование, 2011.

Демонстрационные материалы ЕГЭ, тесты из открытого

сегмента Федерального банка тестовых заданий

(http://www.fipi.ru/view), он-лайн тесты

(http://www.fipi.ru/view и http://www.edu.ru/index.php).

Библиотека электронных наглядных пособий. Физика. 7-

11 класс. – ООО “Кирилл и Мефодий”, 2004.

Демонстрационный вариант по физике ЕГЭ – 2006,

http://www.fipi.ru/view

http://www.fipi.ru/view

http://www.edu.ru/index.php

2007.

Громов С.В. Физика: Механика. Теория

относительности. Электродинамика: Учеб. для 10 кл.

общеобразов. учреждений / С.В. Громов; Под ред.

Н.В.Шароновой. – 4-е изд. - М.: Просвещение, 2003.

Громов С.В. Физика: Оптика. Тепловые явления.

Строение и свойства вещества: Учеб. для 11 кл.

общеобразов. учреждений / С.В. Громов; Под ред.

Н.В.Шароновой. – 4-е изд. - М.: Просвещение, 2003.

ЕГЭ 2006. Физика. Типовые задания/ Ханнанов М.Н.,

Ханнанова Т.А. – М.: Издательства “Экзамен”, 2006.

(Серия “ЕГЭ 2006. Типовые тестовые задания”).

Рекомендовано ИСМО Российской Академии

Образования для подготовки выпускников всех типов

образовательных учреждений РФ к сдаче экзаменов в

форме ЕГЭ.

Единый государственный

экзамен:физика:контр.измерит.материалы:2006-2007.-

М.:Просвещение;СПб.:Просвещение, 2007.

Единый государственный

экзамен:Физика:Тренировочные задания/Фадеева А.А.-

М.:Просвещение, Эксмо, 2006.

Единственные реальные варианты заданий для

подготовки к единому государственному экзамену. ЕГЭ-

2006. Физика._М.:Федеральный центр тестирования,

2006.

Никифоров Г.Г. ЕГЭ-2006.Физика: Сборник

заданий/Г.Г.Никифоров, В.А.Орлов, Н.К.Ханнанов.-

М.:Просвещение, Эксмо, 2006.

Соболева С.А.ЕГЭ.Физика:Раздаточный материал

тренировочных тестов.-СПб.:Тригон,2005.

Физика: реальные тесты и ответы. – Сергиев Посад:

ФОЛИО, 2005. – (Единый государственный экзамен –

2005).

Тема 1

Механика (кинематика,

динамика, статика,

законы сохранения в

механике, механические

колебания и волны).

Практикум. Решение заданий части С.

На занятии: Н.П.Калашников, С.Е.Муравьев «Начала

физики, учебник и задачник по подготовке к ЕГЭ по

физике», 2012 (в печати)

«Физика. 10-11 классы. Подготовка к ЕГЭ».-ЗАО «1С»

2012, предыдущие года.

«Подготовка к ЕГЭ. Физика».-ООО «Физикон», 2004.

Дома: «Контрольные измерительные материалы.

Варианты экзаменационных заданий 2005г.-2012г. ЕГЭ.

Физика.- ЗАО «Просвещение-Медиа», 2006.

«Интерактивный курс физики для 7-11 классов».-ООО

«Физикон».





2011









Тема 2

Молекулярная физика

(молекулярно-

кинетическая теория,

термодинамика)












«Физикон».





2011









Тема 3

Электродинамика и

основы СТО

(электрическое поле,

постоянный ток,

магнитное поле,

электромагнитная

индукция,

электромагнитные

колебания и волны,

оптика, основы СТО)












«Физикон».





2011









Тема 3

Квантовая физика

(корпускулярно-




волновой дуализм,

физика атома, физика

атомного ядра).









«Физикон».





2011









Тема 4

Решение комплексных

задач.


Модуль 1.3

Подготовка к

олимпиадам по

8


Лабораторные работы Виртуальные лабораторные работы по темам


(Семинары) Формирование приемов решения задач. Способы

развития мыслительной деятельности.

1.Осмысление содержания задачи.

Анализ содержания, краткая запись условия с помощью

данных, рисунка, чертежа, схемы, графика.

Дифференциация задач по видам действий

(вычислительные, на построение, измерение, описание и

так далее.) Выделение проблемы.

Определение эквивалентности используемых формул

при решении задач.

Определение способа решения.

2. Активные способы работы с физическими задачами.

-Решение физических задач с помощью алгоритма.

-Сочетание алгоритмического метода с другими

методами решения задач.

-Решение физических задач методами элементарной

математики.

-Использование аналогий при решении задач.

-Использование учебника при решении задач (действия

по образу, включению в задачу дополнительных

вопросов, составление новых задач по образу.)

3. Творческий подход к решению задач.

-Метод анализа неверного решения.

-Трансформация физической задачи.

-Преобразование формы задачи.

-Преобразование простой задачи в сложную.

6

-Преобразование стандартной тренировочной задачи в

нестандартную.

Самостоятельная работа Активные способы работы, творческих подход к

решению

2

Перечень






Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М. Чаругин. Физика – 11,

М.: Просвещение, 2010 г.

Левитан Е.П. Астрономия: учеб.для 11кл.

общеобразоват. учреждений / Е.П.Левитан.— 10-е

изд.— М.: Просвещение, 2005.— 224с.

«Сборник задач по физике для 10-11 классов»,

А.П.Рымкевич, М.Дрофа, 2007г./

«Сборник задач по физике: для 10-11 кл.» / Сост. Г.Н.

Степанова. – М.: Просвещение, 2007.

Сауров Ю.А. Физика в 11 классе: Модели уроков: Кн.

Для учителя. – М.: Просвещение, 2005

В.Г. Маркина. Физика 11 класс: поурочные планы по

учебнику Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева. – Волгоград:

Учитель, 2006

В. А. Коровин, В. А. Орлов "Оценка качества

подготовки выпускников средней (полной) школы. М.:

изд-во "Дрофа" – 2001 г

Контрольные работы по физике в 7-11 классах средней

школы: Дидактический материал. Под ред. Э.Е.

Эвенчик, С.Я. Шамаша. – М.: Просвещение, 1991.

Кабардин О.Ф., Орлов В.А.. Физика. Тесты. 10-11

классы. – М.: Дрофа, 2000.

Кирик Л.А., Дик Ю.И.. Физика. 11 класс. Сборник

заданий и самостоятельных работ.– М: Илекса, 2004.

Марон А.Е., Марон Е.А.. Физика11 класс.

Дидактические материалы.- М.: Дрофа, 2004

Н.Н. Тулькибаева, А.Э. Пушкарев, М.А. Драпкин, Д.В.

Климентьев. ЕГЭ: Физика:Тестовые задания для

подготовки к ЕГЭ: 10-11 классы. – М.: Просвещение,

2004

В.А. Орлов, Н.К. Ханнанов, Г.Г. Никифоров. Учебно-

тренировочные материалы для подготовки к ЕГЭ.

Физика. – М.: Интеллект-Центр, 2005

И.И. Нупминский. ЕГЭ: физика: контрольно-

измерительные материалы: 2005-2006. – М.:

Просвещение, 2006

В.Ю. Баланов, И.А. Иоголевич, А.Г. Козлова. ЕГЭ.

Физика: Справочные материалы, контрольно-

тренировочные упражнения, задания с развернутым

ответом.– Челябинск: Взгляд, 2004

ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ







http://fizzzika.narod.ru

Тема 1

Относительность

движения

Решение задач по теме

(особенности олимпиадных задач)







http://fizzzika.narod.ru/

Тема 2

Системы отсчета.

Переход из одной

системы в другую



Тема 3

Нормальная и

тангенциальная

составляющие

ускорения



Тема 4

Выбор системы

координат



Тема 5

Центр масс и его

свойства



Тема 6

Принцип суперпозиции

в кинематике



Тема 7


в динамике



Тема 8


в электростатике



Тема 9

Кинематика

гармонических

колебаний



Тема 10

Динамика

гармонических

колебаний



Тема 11

Элементы статики.

Условия равновесия тел



Тема 12

Закон сохранения

импульса



Тема 13

Закон сохранения и

превращения энергии



Тема 14

Упругий и неупругий

удар



Тема 15

Тепловые процессы и

фазовые изменения

вещества



Тема 16

Основы термодинамики



Тема 17

Законы состояния

идеального газа



Тема 18

Электростатическое

поле и его



характеристики

Тема 19

Магнитное поле и его

характеристика



Тема 20

Движение заряженной

частицы в

электрическом поле



Тема 21


частицы в магнитном

поле



Тема 22


частицы в

электрическом и

магнитном поле



Тема 23

Расчеты электрических

цепей



Тема 24

Закон сохранения и

превращения энергии в

применении к

электрическим явлениям



Тема 25

Закон электромагнитной

индукции



Тема 26

Законы геометрической

оптики

Тема 27

Зеркала, линзы,

оптические приборы



Модуль 2.1

Организация

подготовки к

физическому туру

олимпиады “Росатом”

школьников

средствами

дистанционной среды

НИЯУ МИФИ в

рамках модели

«Школы партнеры –

вуз»

12

Лабораторные работы Не предусмотрено


(Семинары)

Решение задач по механике (кинематика и динамика)

повышенной сложности (олимпиадные задачи прошлых

лет) с использованием законов сохранения импульса и

энергии.

Методика решения олимпиадных задач по статике и


6

Самостоятельная работа Решение задач повышенной сложности (олимпиадные

задачи прошлых лет) по рассматриваемым темам.

Перечень






Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С.

Физика в примерах и задачах. М.: Наука, 1979.

И.И.Воробьев и др. (под ред. О.Я.Савченко)

Задачи по физике. М. Наука, 1988.

Баканина Л.П., Белонучкин В.Е., Козел С.М.,

Мазанько И.П. Сборник задач по физике. М.:

Наука, 1990.

Гольдфарб Н.И. Физика. Задачник. М.: Дрофа,

2000.

Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я.,

Сараева И.М. Сборник задач по элементарной

физике: Пособие для самообразования. М.: УНЦ

ДО МГУ, 2004, 440 с.

Долгов А.Н., Муравьев С.Е, Соболев Б.В. Задачи

вступительных экзаменов и олимпиад по физике с

решениями. Молекулярная физика и

термодинамика. М.: МИФИ, 2008.

Муравьев С.Е. Олимпиада «Росатом»-2009 по

физике. М.: МИФИ, 2010.

Долгов А.Н., Протасов В.П., Соболев Б.В.

Сборник задач по физике с решениями и ответами.

Часть 3. Электричество и оптика. М.: МИФИ,

2001.

Тема 1

Методика решения

сложных

олимпиадных задач по

механике.

Принцип относительности механического движения.

Нахождение скорости при заданном характере движения

тела. Средняя и мгновенная скорость. Закон сложения

скоростей. Движение с переменной скоростью.

Ускорение. Законы равноускоренного движения Галилея

и их физический смысл. Принципы механики Ньютона.

Законы Ньютона. Сила и масса. Решение основной

задачи механики в методе Ньютона. Свойства основных

сил в механике Ньютона: сила тяжести, сила упругости,

сила трения. Силы, возникающие в жестких связях:

реакции и натяжения. Равновесие материальных точек и

протяженных тел. Момент распределенной силы. Центр

тяжести. Жидкости. Закон Паскаля. Давление.

Невекторный характер давления. Выталкивающая сила

Архимеда как равнодействующая сил гидростатического

давления. Плавание тел. Действие тела на жидкость.

Модуль 2.2.

Использование курса

довузовской

подготовки

“Металлические

порошки и

наноматериалы”

средствами

дистанционного

обучения НИЯУ

МИФИ в рамках

модели «Школы

партнеры – вуз»,

обеспечивающего

формирование

специализированных

интересов в данной

области знаний,

проектной и

исследовательской

деятельности

12



(Семинары)

Не предусмотрено

Самостоятельная работа Подготовка рефератов по применению наноматериалов

в атомной отрасли

2

Перечень






Фейнман Р.Ф. Внизу полным полно места:

приглашение в новый мир физики// Российский

химический журнал, 2002, т. XLVI, №5, с. 4-6.

Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии.- М.:Техносфера,

2005.-334 с.

Физическое материаловедение (в 6 томах)/Под ред.

Б.А. Калина. Том 5. Материалы с заданными

свойствами. – М.: МИФИ, 2008, – 672 с.

Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные

материалы. –М.: Издательский центр “Академия”, 2005.

– 192 с.

Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.:

Машиностроение, 2007. – 496 с.

Сайт журнала “Российские нанотехнологии”

http://www.nanorf.ru

Тема 1

Методы получения

металлических

порошков,

наноматериалов и

изделий из них

Методы синтеза нанокристаллических порошков.

Методы получения объемных наноматериалов.

Кристаллизация аморфных сплавов. Метод интенсивной

пластической деформации.

Тема 2

Нанотехнологии в

современном мире

Физико-механические свойства наноматериалов и

изделий из них. Применение наноматериалов.

Особенности применения нанотехнологий в

традиционных областях науки и техники.

Модуль 2.3

Организация

подготовки к ГИА по

физике средствами

дистанционной школы

при НИЯУ МИФИ при

реализации модели

взаимодействия

«Школы партнеры –

вуз»

12



(Семинары)

Решение задач повышенной сложности (олимпиадные

задачи прошлых лет) из разделов “Тепловые явления” и

“Электрические явления”

Разбор типовых задач (материалы ГИА прошлых лет)

8

Самостоятельная работа Решение задач повышенной сложности (олимпиадные

задачи прошлых лет) по изучаемым темам

4

Перечень






Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учебник для

9-10-11 кл. ср. шк. – М: Просвещение, 1993. 254 с.

Бендриков Г.А., Буховцев Б.Б., Керженцев В.В.,

Мякишев Г.Я. Задачи по физике для поступающих

в вузы. – М.: Физ.мат. лит., 2003. 384 с.

Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я.,

Сараева И.М. Сборник задач по элементарной

физике: Пособие для самообразования – М.: УНЦ

ДО МГУ, 2004. 440с.

Иванов Ю.Б., Муравьев С.Е, Соболев Б.В.

Подготовка к ЕГЭ по физике. Задачи, решения,

рекомендации. М.: МИФИ, 2010.

Демидова М.Ю., Нурминский И.И. ЕГЭ 2009.

Физика. Федеральный банк экзаменационных

материалов. М.: ЭКСМО, 2008.

Павленко Ю.Г. Физика. Ответы на вопросы.

Теория и примеры решения задач: Учебное

пособие–М.: Экзамен, 2003, 192 с.

Тема 1

Особенности изучения

раздела “Тепловые

явления”

Определение температуры. Энергетические

превращения в тепловых процессах. Внутренняя энергия

тел. Первый закон термодинамики. Определение

количества теплоты. Теплоемкость. Коэффициент

полезного действия теплового двигателя.

Тема 2

Методика подготовки к

ГИА раздела

“Электрические

явления”

Постоянный электрический ток. Сторонние силы. ЭДС.

Закон Ома для однородного участка цепи.

Последовательное и параллельное соединение

проводников. Закон Ома для замкнутой цепи. Принципы

расчета разветвленных цепей.

Индивидуальный учебный план по предмету

№

п/п

Содержание (раздел программы,

тема)

форма

изучения

форма

отчёта

сроки

1. Модуль 2.1. «Организация

подготовки к физическому туру

олимпиады “Росатом”

школьников средствами

дистанционной среды НИЯУ


партнеры – вуз»»

1-12

недели

Тема 1. Методика решения

сложных олимпиадных задач по

механике.

1-6

недели

Тема 1.1. Решение задач по

статике и гидростатике.

Равновесие материальных точек и

протяженных тел. Момент силы.

Уравнение моментов. Момент

распределенной силы. Центр

тяжести. Жидкости. Закон Паскаля.

Давление. Невекторный характер

давления. Выталкивающая сила

Архимеда как равнодействующая

сил гидростатического давления.

Плавание тел. Действие тела на

жидкость.

Лекция.

Практическ

ая работа

Зачет, тест. 1-2

неделя

Тема 1.2. Применение

кинематических связей при

решении олимпиадных задач из


Принцип относительности

механического движения.

Определение скорости. Нахождение

скорости при заданном характере

Лекция.


ая работа


недели

движения тела. Средняя и

мгновенная скорость. Закон

сложения скоростей.

Кинематические связи. Расчет

параметров движения материальной

точки с учетом кинематических

связей.

Тема 1.3. Анализ и методы

решения задач по динамике

материальной точки с

использованием принципа

суперпозиции.

Принципы механики Ньютона.

Законы Ньютона. Сила и масса.

Решение основной задачи механики

в методе Ньютона. Свойства

основных сил в механике Ньютона:

сила тяжести, сила упругости, сила

трения. Силы, возникающие в

жестких связях: реакции и

натяжения.

Лекция.


ая работа


недели

Модуль 2.2. «Использование курса

довузовской подготовки

“Металлические порошки и

наноматериалы” средствами

дистанционного обучения НИЯУ


партнеры – вуз»,


специализированных интересов в

данной области знаний, проектной

и исследовательской

деятельности»

7-12

недели

Тема 1. Методы получения

металлических порошков,

наноматериалов и изделий из них.

7-9

неделя

Тема 1.1. Методы синтеза

металлических порошков.

Газофазный синтез. Левитационно-

струйный метод. Плазмохимический

метод. Газофазный синтез.

Криохимический метод синтеза

порошков. Разложение

нестабильных соединений.

Химическое осаждение из

растворов.

Лекция. Текущий

контроль.

Итоговая

аттестация.

7-8

недели

Тема 1.2. Методы получения

объемных нанокристаллических

материалов.

- Основные группы методов

получения объемных

нанокристаллических материалов:

консолидация нанопорошков;

кристаллизация аморфных сплавов;

интенсивная пластическая

деформация; прессование

нанопорошков. Спекание

нанопорошков под давлением.

Схемы интенсивной пластической

деформации: кручение под высоким

давлением (КВД);

равноканальное угловое (РКУ)

прессование; всесторонняя ковка;

мультиосевая деформация;

знакопеременный изгиб;

аккумулируемая прокатка; винтовое

прессование и другие методы.


контроль.

Итоговая


8-9

недели

Тема 2. Нанотехнологии в

современном мире.

10-12

недели


применения металлических

порошков и наноматериалов.

Области применения


контроль.

Итоговая


10-я

неделя

наноматериалов в виде отдельных

частиц: оксиды (кремния, титана,

алюминия и железа) в виде сухих

порошков, жидких суспензий или

паст, полупроводниковые теллурид

кадмия CdTe и арсенид галлия GaAs

в виде порошков. Покрытия:

повышают твердость и

износостойкость; термостойкие,

теплоизоляционные и

коррозионностойкие свойства

покрытий используются для защиты

машин и оборудования, турбин,

двигателей и строительных

сооружений. Применение

мезопористых материалов с

различной формой микрочастиц.

Тема 2.2. Разработка и

применение конструкционных и

функциональных объемных


Применение титановых

наноматериалов и никелида титана в

медицине (использование полной

биосовместимости этих материалов

с живой тканью человеческого

организма). Разработка изделий для

авиакосмической,

электротехнической, электронной,

химической, инструментальной

промышленности, вычислительной,

сенсорной и медицинской техники.

Лекция.


ая работа


недели

Модуль 2.3. «Организация

подготовки к ГИА по физике

средствами дистанционной школы

при НИЯУ МИФИ при

реализации модели

1-6

недели

взаимодействия «Школы


Тема 1. Особенности изучения

раздела “Тепловые явления”.

Определение температуры.

Энергетические превращения в

тепловых процессах. Внутренняя

энергия тел. Определение

количества теплоты. Теплоемкость.

Тепловой двигатель. Основные идеи:

закон сохранения энергии,

нагреватель, рабочее тело.

Определение кпд циклического

процесса.

Лекция.


ая работа


недели

Тема 2. Методика подготовки к

ГИА раздела «Электрические

явления».

Постоянный электрический ток.

Сторонние силы. ЭДС. Закон Ома

для однородного участка цепи.

Последовательное и параллельное

соединение проводников. Закон Ома

для замкнутой цепи. Принципы

расчета разветвленных цепей.

Лекция.


ая работа


недели

Модуль 2.1

Организация подготовки к физическому туру олимпиады “Росатом”

школьников средствами дистанционной среды НИЯУ МИФИ в рамках

модели «Школы партнеры – вуз»

Учебно-тематическое планирование Модуля 2.1

Модуль 2.1. «Организация подготовки к

физическому туру олимпиады “Росатом”

школьников средствами дистанционной среды

НИЯУ МИФИ в рамках модели «Школы


Коли

чество

часов

Форма

обучения

Тема 1. Методика решения сложных

олимпиадных задач по механике.

12

Тема 1.1. Решение задач по статике и


2

2

Лекция

Практическая

работа

Тема 1.2. Применение кинематических

связей при решении олимпиадных задач из


2

2

Лекция


работа

Тема 1.3. Анализ и методы решения задач

по динамике материальной точки с

использованием принципа суперпозиции.

2

2

Лекция


работа

Итого 12

База тестовых заданий к Модулю 2 .1

Задачи к теме 1 Модуля 2.1.

1. У вас имеется медный предмет неправильной формы.

Определить, сплошное ли оно. Как это сделать?

2. В сообщающихся сосудах находится однородная жидкость

плотности ρ1. В одно из колен налили жидкость другой плотности ρ2 (ρ1 > ρ2).

Жидкости не смешиваются. Разность уровней в коленах сосудов стала равной

Δh. Определить разность уровней жидкости ρ1.

3. Имеется 8 внешне совершенно одинаковых свинцовых шариков,

однако внутри одного из них сделана небольшая полость. Пользуясь только

рычажными весами, определите, какой шарик с полостью. Весы можно

использовать не более двух раз. Опишите свои действия и сделайте рисунок.

4. Имеются чугунный шар и шар из неизвестного легкого сплава.

Масса чугунного шара в 1,25 раза больше массы шара из неизвестного

сплава. Объем чугунного шара в 2 раза меньше объема второго шара. Какова

плотность шара из неизвестного сплава? Плотность чугуна ρ = 7,0 г/см3.

5. Снегопад длился 5 часов. Снежинки падали вертикально.

Тонкостенный бак с полностью открытым верхом был заполнен снегом

наполовину. Бак имеет форму куба с ребром 1 м. Из собранного снега

получили 75 литров воды. 1) Какова плотность свежевыпавшего снега? 2)

Какая масса снега в час выпадала на каждый квадратный метр земли?

6. Имеются рычажные весы с чашами различной массы, набор

одинаковых кубиков, набор одинаковых шариков. Весы находятся в

равновесии, если положить: на левую чашу 2 кубика, на правую 3 шарика;

или на левую чашу 1 шарик, на правую 1 кубик. Какая чаша весов опустится,

если положить: на левую чашу 1 кубик, на правую 1 шарик? Ответ

обоснуйте.

7. Плотность воды равна 1 г/см3

, плотность спирта 0,8 г/см3

.

Смешали 50 г воды и 100 г спирта. Найти плотность смеси. Считать, что

объем смеси равен объему отдельных ее компонент.

8. На весах

уравновешены сосуды с водой. В одном из сосудов лежит груз. Сосуды

соединены между собой U-образной трубкой, заполненной водой. Трубка

подвешена на штативе и не касается стенок сосуда. Придерживая чашки

весов, груз вынимают и ставят рядом с сосудом на весы. Изменится ли

положение весов, если чашки освободить? Ответ обоснуйте.

9. В сосуде, площадь основания которого 400 см2, плавает ледяная

тарелочка, заполненная 200 г ртути. Как изменится уровень жидкости в

сосуде, когда лед растает? Плотность ртути - 13600 кг/м3.

10. В цилиндрический сосуд налили равные по объему количества

воды и ртути. Общее давление смеси на дно оказалось равным 29 кПа.

Определите давление воды на ртуть [ρводы = 1000 кг/м3, ρртути = 13600 кг/м

3]

11. Тело подвешено на пружине динамометра. При взвешивании тела

в пустоте показание динамометра P. При взвешивании этого же тела в

жидкости плотностью ρ1 динамометр показывает P1. Какова плотность тела

ρ? При взвешивании тело полностью погружается в жидкость и не

растворяется в ней.

12. Брусок подвешен на пружине динамометра. При взвешивании

бруска в пустоте динамометр показывает 15.6 Н. При взвешивании того же

бруска в воде (плотность 1000 кг/м3) динамометр показывает 13.6 Н. Какова

плотность ρ бруска? При взвешивании брусок полностью погружается в воду

и не растворяется в ней.

13. Продавец взвешивает овощи. Каков вес одной крупной свеклы

массой 1 кг, если плотность свеклы в 500 раз больше плотности воздуха?

14. В сосуде с пресной водой плавает кусок льда массы M с

впаянным в него пузырьком воздуха объема V. Как изменится уровень воды в

сосуде, когда лед растает? Плотности воды и льда считать известными.

15. На равноплечных весах уравновешены два одинаковых

цилиндрических сосуда с водой. Уровни воды в обоих сосудах совпадают. В

сосуды опускают одинаковые шары объема V и массы M каждый, плотности

которых меньше плотности воды. В левый сосуд шар опускают на жесткой

штанге, к концу которой он привязан с помощью нити. В правый сосуд шар

опускают на нити, перекинутой через неподвижный блок. Оба шара

полностью погружены в воду. Какой груз и на какую чашку надо добавить,

чтобы не нарушилось равновесие? Объемами штанги, нити, блока

пренебречь. Плотность воды считать известной.


1. Два мальчика решили устроить соревнование - кто быстрее

проедет на велосипеде из пункта A в пункт B. Первый поехал со скоростью 5

м/с, через 10 мин проколол шину и вынужден был остановиться на 15 мин

для ремонта, а затем стал двигаться дальше со скоростью 24 км/ч и через 15

мин был у цели. Второй мальчик ехал весь путь без остановок со скоростью

18 км/ч. Кто выиграл соревнование? Построить график зависимости пути от

времени, для движения обоих мальчиков.

2. На олимпийских играх участник соревнований по скоростному

спуску на лыжах первую треть трассы прошел со средней скоростью 72 км/ч,

вторую треть - со скоростью 80 км/ч, а остаток пути со скоростью - 30 км/ч.

Вычислить среднюю скорость лыжника относительно всей трассы.

Построить график зависимости пути от времени движения.

3. Заводной игрушечный автомобиль едет по полу. В кузове

автомобиля стоит оловянный солдатик. Автомобиль сталкивается со стенкой.

В каком направлении по отношению к направлению движения автомобиля

упадет солдатик? Ответ обоснуйте.

4. Эскалатор одной из станций метро поднимает неподвижно

стоящего на нем пассажира в течение 2 мин. По неподвижному эскалатору

пассажир поднимается в течение 6 мин. Сколько времени будет подниматься

пассажир идущий вверх по движущемуся эскалатору?

5. С лодки, идущей вниз по течению реки, уронили в воду весло.

Через час после этого решили подобрать весло и повернули обратно. Через

какое время лодка повстречает весло, если скорость течения одинакова по

всей реке, а мотор лодки все время работает в одинаковом режиме?

6. Идет дождь. Капли падают вертикально со скоростью V.

Неподвижное цилиндрическое ведро с площадью дна S наполняется со

скоростью 1 кг/мин. Самолет летит горизонтально со скоростью 4V. Какая

масса воды попадает в цилиндрический воздухозаборник самолета площадью

2S?

7. Два альпиниста совершают восхождение на пик по

противоположным склонам с одинаковой по величине скоростью V. Длина

каждого склона равна S. Склоны составляют одинаковые углы с вертикалью.

В начальный момент времени у основания пика расстояние по горизонтали

между альпинистами равно L. С какими скоростями альпинисты

приближаются: 1) к вертикали, проходящей через вершину пика? 2) друг к

другу?

8. Проволоку производят вытягиванием из цельной заготовки меди.

На изготовление медной проволоки прямоугольного сечения в течение суток

израсходовано 8640 кг меди. Скорость протягивания проволоки постоянна в

течение суток и равна 1 м/с. Найдите площадь поперечного сечения

проволоки, если за истекшие сутки производилась проволока сечением

только одного размера. (Плотность меди 8900 кг/м3.)

9. Корабль плывет по реке с постоянной скоростью. По палубе с

постоянной по величине скоростью ходит пассажир. От кормы к носу

пассажир идет со скоростью 11,4 м/с относительно берега. Обратно он идет

со скоростью 8,6 м/с относительно берега. Длина палубы 70 м. Пассажир

прошел 1 раз от кормы к носу и обратно. Какое расстояние относительно

берега прошел за это время корабль?

10. Эскалатор длиной 120 м движется вверх со скоростью 60 см/с.

Расстояние между соседними ступенями 50 см. На каждой ступени, кроме

одной, стоит человек. Каждую секунду человек, находящийся перед

свободной ступенью, делает шаг вперед и переступает на свободную ступень.

За какое время свободная ступень достигнет верхнего уровня эскалатора,

если в начальный момент она находилась на нижнем уровне?

11. Жук ползет по ребрам куба, поворачивая лишь в его вершинах.

Возможна ли такая ситуация, когда в одной из вершин жук побывал 20 раз, а

во всех остальных - по 22 раза. Ответ обосновать.

12. Тело проходит некоторое расстояние за время t =10 с. За какое

время тело пройдет в пять раз большее расстояние, если будет двигаться с

вдвое меньшей скоростью.

13. Из пунктов А и В одновременно навстречу друг другу выехали

две машины. Через некоторое время они встретились и продолжили свое

движение. Первая машина пришла в пункт назначения через 4=1t часа после

встречи, вторая - через 1=2t час. Через какое время после выхода машины

встретились?

14. Тело проходит некоторое расстояние за время t =10 с. За какое

время тело пройдет в пять раз большее расстояние, если будет двигаться с

вдвое меньшей скоростью.

15. Из пунктов А и В одновременно навстречу друг другу выехали

две машины. Через некоторое время они встретились и продолжили свое

движение. Первая машина пришла в пункт назначения через 4=1t часа после

встречи, вторая - через 1=2t час. Через какое время после выхода машины

встретились?


1. Ящик массой M = 10 кг стоит на ленте транспортера.

Транспортер включают на короткое время Δt = 2 с. На какое расстояние

относительно земли переместится в результате этого ящик? Скорость

движения ленты транспортера υ = 3 м/с. Считайте, что разгон и остановка

ленты происходят мгновенно. Коэффициент трения поверхности ящика о

ленту транспортера µ = 0,l.

2. Два кубика массами M и 2M расположены на гладкой

горизонтальной плоскости. Кубики связаны невесомой нитью. В начальный

момент нить натянута. К кубику массы M приложена сила F, а к кубику

массы 2M - сила 2F. Вектора сил направлены противоположно друг другу и

параллельны нити. Найти ускорения кубиков и силу натяжения нити.

3. Мальчик везет санки за веревку, направленную под углом 30° к

горизонту, с постоянной скоростью V = 3 км/час. Масса санок M = 5 кг, сила

трения санок о снег f = 2 H. Найти силу F, с которой мальчик тянет за

веревку.

4. Два тела массами M = 300 г и m = 100 г связаны нерастяжимой

нитью длины L = 2 м, перекинутой через неподвижный блок. Первоначально

тела удерживают в состоянии покоя так, что тела находятся на одной высоте.

Затем более легкому грузу сообщают скорость V = 4 м/с, направленную

вертикально вниз. Какой груз первым ударится о блок? Массой блока и нити

пренебречь. Трение в оси блока отсутствует.

5. Тяжелый однородный канат свободно подвешен за концы. Силы

натяжения каната в точках подвеса равны T1 и T2, а в самой нижней точке

каната - T3. Найти массу каната. Напряженность поля тяжести Земли в местах

подвеса канатов равна g.

6. Доску массой 10 кг можно равномерно перемещать по

деревянному полу, приложив горизонтальную силу F = 50 Н. На доску

поставили деревянный ящик массой 40 кг. Оба тела соединили невесомой

нерастяжимой нитью, перекинутой через неподвижный блок. Определите,

какую горизонтальную силу надо приложить к доске, чтобы она начала

равномерно скользить вдоль пола по направлению от блока. Считать, что

коэффициенты трения между всеми поверхностями одинаковы.

7. Две одинаковые лодки, связанные легким канатом, вначале

неподвижны относительно воды и находятся на расстоянии L друг от друга.

В некоторый момент времени матросы на одной из лодок начинают тянуть

канат так, что лодка начинает двигаться с постоянным ускорением a. Через

какое время лодки встретятся?

8. Два шарика, имеющих одинаковые массы, лежат на гладком

горизонтальном столе на расстоянии L друг от друга. Они соединены

невесомой нерастяжимой нитью длинной L√2. Одному из шариков придают

скорость V перпендикулярно линии, проходящей через их центры. Опишите

дальнейшую траекторию движения шариков.

9. Лыжник на водных лыжах движется по прямой с постоянной

скоростью. Сила натяжения каната, за который держится лыжник, равна T, а

масса лыжника равна m. Найти угол, под которым наклонены лыжи к зеркалу

воды.

10. К концам невесомой нерастяжимой нити, перекинутой через

блок, прикреплены грузы с массами m1 и m2, причем m1 > m2. В начальный

момент грузы неподвижны и расстояние между ними равно h. Через какое

время грузы окажутся на одинаковом расстоянии от блока?

11. Два тела массами 1 2m кг и

2 1m кг, связанные невесомой и

нерастяжимой нитью, привязаны к потолку кабины лифта. Сила натяжения

нижней нити известна 10T Н. Найти силу натяжения верхней нити.

12. Если к прикрепленной к потолку пружине привязать груз массой

1m , длина пружины будет равна 1l . Если от пружины отрезать одну четверть,

привязать к оставшейся части груз 2m , ее длина будет равна

2l . Найти длину

первоначальной пружины в недеформированном состоянии

13. На полу кабины лифта находятся доска массой 2M кг и тело

массой 1m кг, которое лежит на доске. Сила реакции пола лифта известна

10N Н. Найти силу реакции, с которой доска действует на тело.

14. В бассейне плавает лодка. Из бассейна зачерпнули воды и

вылили в лодку. Изменится ли при этом уровень воды в бассейне? Свое

утверждение докажите.

Задания для самопроверки к модулю 2.1


1. В цилиндрический сосуд наливают одинаковое по массе (m)

количество воды (ρв) и масла (ρм). Жидкости не смешиваются. Тело объемом

V на нити опускают в сосуд. Найти отношение сил давлений жидкостей на

дно сосуда в положениях 1 и 2.

2. С помощью комбинации подвижного и неподвижного блоков

уравновешены погруженные в жидкость два тела: медное и алюминиевое.

Медное закреплено на подвижном блоке. Тела извлекают из жидкости.

Равновесие не нарушается. В каком случае это возможно? Ответ объясните.

3. На весах уравновешены сосуды с водой, причем на одной из

чашек рядом с сосудом стоит гиря. Сосуды соединены между собой U-

образной трубкой, заполненной водой (трубка подвешена на штативе и не

касается стенок сосуда). Придерживая чашки весов, гирю помещают в сосуд,

стоящий на этой же чашке. Затем чашки весов освобождают. Изменится ли

положение весов? Ответ обоснуйте.

4. Кубики c ребрами 2a, a, 3a, поставили последовательно друг на

друга, совместив центры граней, и склеили их в таком положении. Затем

поместили эту конструкцию вертикально в сосуд с ровным отшлифованным

дном. Сколько воды необходимо налить в сосуд, чтобы эта конструкция

всплыла? (ρв = 2ρт).

5. В цилиндрическом сосуде, площадь основания которого 400 см2,

плавает в воде ледяная тарелочка, заполненная 200 г керосина. Как

изменится уровень жидкости в сосуде, когда лед растает? Плотность

керосина - 800 кг/м3.

6. Цилиндрический сосуд с площадью дна S1 = 160 см2 заполнен

водой. В него вставляют поршень с отверстием, в которое вставлена трубка.

Когда поршень прекращает свое движение вниз, вода в трубке поднимается

на высоту h = 25 см. Какова масса поршня с трубкой, если внутренняя

площадь поперечного сечения трубки S2 = 100 см2?

7. В озере плавает вертикально цилиндрическая тонкостенная бочка

с массивным дном. В бочку налита вода, высотой столба h от дна бочки. На

сколько приблизится дно бочки к поверхности озера, если вся вода из бочки

испарится? Ответ обоснуйте.

8. Имеется чайник с водой, нить, мензурка и тело неправильной

формы, не входящее в мензурку. Как можно определить объем этого тела?

Опишите и сделайте рисунок.


1. Во время соревнований по автомобильным гонкам победитель,

пройдя 50 кругов, обогнал второго призера на 2 круга. Какова средняя

скорость движения второго автомобиля, если средняя скорость первого —

100 км/ч?

2. Из одной точки в другую начинает свое движение тело со

скоростью 10 м/с. Через некоторое время (менее 10 сек) за ним начинает

движение другое тело. Считая время от начала движения первого тела,

расстояния между телами составили: через 10 с — 40 метров, через 20 с — 80

метров. С какой скоростью двигалось второе тело? Оба тела движутся

равномерно и прямолинейно.

3. Мотоциклист заключительную треть пути ехал со скоростью в

три раза большей, чем предыдущие 2/3. Средняя скорость мотоциклиста - 40

км/ч. А какова была его скорость на последней трети пути?

4. Первую половину пути автобус шел со скоростью в 8 раз

большей, чем вторую. Средняя скорость автобуса на всем пути равна 16 км/ч.

Определить скорость автобуса на второй половине пути.

5. По течению реки движутся катер и плот. Через некоторое время

они поравнялись, а еще через минуту расстояние между ними составило 600

м. Катер прибыл в пункт назначения через 30 мин, а плот - через 5,5 часа.

Считая движение плота и катера равномерным и прямолинейным,

определить скорость воды в реке.

6. Из пункта A в направлении пункта B, расстояние между

которыми S =200 км, со скоростью 1v =60 км/ч выехал автобус. Через время

t =2 ч из пункта B в направлении пункта A со скоростью 2v =80 км/ч выехала

машина. Через какое время после выезда автобуса машина и автобус

встретятся?

7. Самолет, совершающий рейс Москва-Нью-Йорк, вылетает в 8.00

по московскому времени и прибывает в 13.00 по нью-йоркскому. Обратный

рейс отправляется в 3.00 по нью-йоркскому и прибывает в 22.00 по

московскому времени. Определите разницу времени между Москвой и Нью-

Йорком.

8. На тренировке по баскетболу два спортсмена выполняют

передачи мяча, непрерывно двигаясь навстречу друг другу. Сколько передач

они успеют сделать до того момента, когда пробегут мимо друг друга, если

скорость движения спортсменов постоянна и равна 1 м/с, скорость полета

мяча 10 м/с, время, затрачиваемое на каждый прием и передачу - 0,2 с.

Начальное расстояние между баскетболистами - 10 м.

9. Над гладким озером равноускоренно взлетает ракета (с

ускорением a, направленным вертикально вверх). Начальная скорость равна

нулю. На расстоянии L от этой точки стоит человек и смотрит на отражение

ракеты в озере. С какой скоростью движется по воде точка, в которой

отражается луч света, идущий от ракеты к глазу человека в тот момент, когда

ракета поднялась на высоту H. Считать, что глаза человека находятся на

высоте h над поверхностью воды. H<<L, h<<L.

10. По прямому участку железнодорожного пути движется вагон со

скоростью 36 км/час. В вагоне мальчик пускает игрушечный состав по

рельсам расположенным поперек вагона. Скорость игрушки относительно

пола вагона равна 7,5 м/с. Найти скорость игрушечного состава относительно

Земли.

11. По прямому участку железнодорожного пути движется вагон с

ускорением 2,8 м/с2. В вагоне мальчик пускает игрушечный состав по

рельсам расположенным поперек вагона. Ускорение игрушки относительно

пола вагона равно 2,1 м/с2. Найти абсолютную величину ускорения

игрушечного состава относительно земли.

12. Из города A в город B выехала машина, через время t = 2 часа

вдогонку за ней выехала другая машина со скоростью в n = 3 раза больше.

Через какое время T вторая машина догонит первую?

13. Электричка, двигаясь с постоянным ускорением, въезжает в

туннель со скоростью V0. Известно, что первый вагон пробыл в туннеле в 2

раза дольше, чем последний. Какую скорость имела электричка, когда

целиком выехала из туннеля, если известно, что длина электрички равна

длине туннеля? Длиной вагона по сравнению с длиной всего поезда

пренебречь.

14. К краю лестницы, каждая ступенька которой имеет длину a = 15

см и высоту b = 40 см, подъезжает шайба, имеющая скорость u = 10 м/с.

Найдите номер ступеньки, на которую упадет шайба (изначально шайба

находится на нулевой ступеньке).

15. Из пункта A в направлении пункта B, расстояние между

которыми S =200 км, со скоростью 1v =60 км/ч выехал автобус. Через время

t =2 ч из пункта B в направлении пункта A со скоростью 2v =80 км/ч выехала

машина. Через какое время после выезда автобуса машина и автобус

встретятся?

16. Тело бросили вертикально вниз с начальной скоростью 0v =10 м/с

с высоты H =10 м. За какое время тело пройдет вторую четверть пути? g =10

м/с2.


1. Мальчик тащит по горизонтальной поверхности санки массой M

= 3 кг, прикладывая к ним силу F = 20 H направленную под углом 60° к

горизонту. Коэффициент трения санок о снег k = 0.l. Найти ускорение санок.

2. Маленькая шайба находится на дне цилиндрического сосуда,

стенки которого плавно переходят в дно, образуя закругления пренебрежимо

малого радиуса. Сосуд имеет высоту h и радиус основания - R. Шайба в

начальный момент времени находится на расстоянии L = R/2 от центра дна

сосуда и ее скорость направлена перпендикулярна диаметру, проходящему

через точку, в которой она находится. С какой скоростью должна двигаться

шайба, чтобы вернуться в ту же точку, совершив M оборотов вокруг центра и

заехав N раз на стенку? Напряженность поля тяжести Земли в месте, где

располагается сосуд, равна g. Дно сосуда расположено горизонтально.

Размерами шайбы и трением ее о дно и стенки сосуда пренебречь.

3. Две бусинки, массой m каждая, подвешены к одной точке на

нитях длиной L. Бусинки заряжены одноименными электрическими

зарядами. Сила взаимного отталкивания между бусинками, когда они

находятся в состоянии равновесия, равна F. Определите, на каком расстоянии

находятся бусинки друг от друга?

4. Две одинаковые очень массивные шайбы радиуса R каждая

двигаются по скользкой горизонтальной плоскости навстречу друг другу со

скоростями V по одной прямой. Между ними, на равном расстоянии от них,

лежит шайба очень маленькой массы, радиуса r. Ее центр находится на

расстоянии d от прямой, соединяющей центры тяжелых шайб. Какую

скорость приобретет легкая шайба после того, как шайбы разлетятся? Все

шайбы жесткие (недеформируемые).

5. Два тела массами 1 2m кг и 2 1m кг, связанные невесомой и

нерастяжимой нитью, привязаны к потолку кабины лифта. Сила натяжения

нижней нити известна 10T Н. Найти силу натяжения верхней нити.

6. Если к прикрепленной к потолку пружине привязать груз массой

1m , длина пружины будет равна 1l . Если от пружины отрезать одну четверть,

привязать к оставшейся части груз 2m , ее длина будет равна 2l . Найти длину

первоначальной пружины в недеформированном состоянии.

7. Тело подвешено на пружине динамометра. При взвешивании тела

в пустоте показания динамометра P. При взвешивании этого же тела в

жидкости с плотностью 1 динамометр показывает P1. При взвешивании тела

в жидкости с неизвестной плотностью 2 динамометр показывает P2. Какова

плотность жидкости 2? При взвешивании тело полностью погружается в обе

жидкости и не растворяется в них.

8. Невесомый твердый шест длиной L = 6 м одним концом

опирается на тумбу. К середине шеста подвешен груз массой m = 10 кг. На

каком наименьшем расстоянии S от тумбы надо привязать к шесту

вертикальную нерастяжимую невесомую веревку, чтобы акробат массой M =

50 кг мог благополучно дойти с тумбы по шесту до конца шеста и вернуться

обратно? Веревка выдерживает наибольшую силу натяжения F0 = 600 Н. g =

10 Н/кг.

9. Тонкая сухая палка (длиной около метра) висит на двух

одинаковых петлях склеенных из полос папиросной бумаги , висящих на

лезвиях столовых ножей. Если по середине висящей палки сильно и резко

ударить другой такой же палкой, то висящая палка переломится, а бумажные

петли останутся целы. Объясните этот факт.

Методические указания по изучению Модуля 2 .1

При изучении тем раздела 2.1 необходимо придерживаться следующих

(несколько упрощенных) понятий.

Сила тяжести приложена к центру тела, всегда направлена

вертикально вниз. Сила упругости возникает при упругой деформации тела,

пропорциональна его удлинению и направлена противоположно

направлению смещения частиц тела при деформации. При малых

деформациях (для пружины – при любых) для модуля силы упругости

выполняется закон Гука: Fупр = k| x|

Сила реакции опоры приложена к центру тела, всегда направлена

перпендикулярно поверхности, на которой находится тело. Сила натяжения

нити приложена к центру тела. В случае, если нить невесома и нерастяжима,

эта сила одинакова в любой части нити. Вес тела. Это сила упругости,

приложенная к горизонтальной опоре или вертикальному подвесу. Сила

трения возникает, если одно тело покоится на поверхности другого или

движется по поверхности другого. Виды трения: покоя, скольжения, качения.

Сила трения приложена к телу и направлена вдоль поверхности

соприкасающихся тел в сторону, противоположную направлению движения

тела, предполагаемого движения (когда мы пытаемся сдвинуть тело с места).

Исключением является случай, когда одно тело начинает движение по

поверхности другого тела. Здесь сила трения направлена в сторону движения

тела и является той силой, которая приводит его в движение. Максимальная

сила трения покоя (скольжения, качения) пропорциональна силе

нормального давления (для силы качения коэффициент пропорциональности

существенно меньше, чем для скольжения). Предлагается придерживаться

следующей схеме решения задач:

1. Внимательно прочитать условие задачи, сделать чертеж с

указанием всех сил, действующих на тело.

2. Выяснить, существуют ли в задаче неконсервативные силы

(в основном такими силами в задачах являются силы трения).

3. Определить, нужно ли вводить понятие потенциальной

энергии для решения задачи.

4. Если потенциальная энергия вводится, выбрать для нее

нулевой уровень (т.е. такое положение тела, при котором П = 0).

5. Записать закон сохранения механической энергии и,

используя условие задачи, решить соответствующее уравнение.

6. Если потенциальная энергия не вводится, то применить

теорему о кинетической энергии.

7. Если условие задачи предполагает наличие

неконсервативных сил, то использовать закон изменения

механической энергии.

Если в задаче речь идет о системе тел, то рекомендуется

придерживаться следующего порядка решения задач.

1. Необходимо выделить систему рассматриваемых тел.

Необходимо определиться, включать ли Землю в выделенную

систему. Если Земля в систему не включается, то надо применять

теорему о кинетической энергии, рассматривая силу тяжести,

действующую на тела системы, как внешнюю консервативную силу.

Если Земля включается в систему, то тем самым вводится понятие

потенциальной энергии тел системы в поле силы тяжести Земли.

2. Надо выделить состояния системы, для которых будут

записаны теорема о кинетической энергии, законы изменения или

сохранения энергии.

3. Сделать рисунок к задаче, указав на нем состояния системы

и нулевой уровень потенциальной энергии.

4. Выяснить, действуют ли в системе неконсервативные силы.

Если действуют, то необходимо воспользоваться законом изменения

механической энергии, если Земля включена в рассматриваемую

систему, или теоремой о кинетической энергии, если не включена.

5. Решить полученную систему уравнений.

Электронный контент Модуля 2.1 (для дистанционного обучения)

Применение законов сохранения импульса и энергии при решении

сложных олимпиадных задач по механике. Закон сохранения энергии в

механике можно получить, используя законы Ньютона и зная выражения для

сил, зависящих от расстояния между телами или их частями (силы тяготения

и силы упругости).

Основные понятии, которые при этом используются – работа,

кинетическая энергия, потенциальная энергия и полная энергия. Эти

понятия, за исключением потенциальной энергии, не являются особенно

сложными. Тем не менее наибольшее количество ложных представлений

возникает при изучении механики именно в связи с законом сохранения

энергии. Причина, по-видимому, в том, что, с одной стороны, изучающие

механику не всегда вдумываются как следует в смысл основных понятий, а с

другой стороны (и это главное), часто для облегчения понимания сути дела

рассматриваются простые частные случаи, но затем на их основе

непродуманно делаются более общие заключения, которые оказываются

иногда несостоятельными.

Работа. Напомним определение работы. Работа силы при столь малом

перемещении тела (материальной точки) S, что действующая на тело силу F

можно считать постоянной по величине и направлению, равна: A =

F S cos , где – угол между векторами F и S. Другими словами, работа

определяется скалярным произведением векторов F и S, то есть A = (F S).

Если тело движется прямолинейно и сила F постоянна, то приведенная

формула применима при любой величине перемещения. Иногда говорят, что

работа данной силы равна произведению проекции силы на перемещение,

вызванное этой силой. Это неверно. Не важно, что вызывает перемещение

тела. Если во время перемещения на тело действует некоторая сила, то

работа этой силы равна проекции силы на направление перемещения,

умноженной на само перемещение. Отсюда следует, что работа не

совершается, когда точка приложения силы не перемещается относительно

данной системы отсчета. Так, при скольжении тела с трением по некоторой

поверхности сила трения, приложенная к телу, совершает работу, а сила

трения, приложенная к поверхности, никакой работы не совершает.

Величина совершенной работы зависит от выбора системы координат.

Тело, неподвижное в одной системе отсчета, будет перемещаться в другой,

движущейся относительно первой. Например, если человек стоит в поезде и

просто удерживает растянутую пружину, то в системе отсчета, связанной с

поездом, рука человека не совершает никакой работы, так как свободный

конец пружины не перемещается. Но с точки зрения наблюдателя в системе

отсчета, связанной с землей, работа будет произведена. Еще пример. Обычно

считается, что работа силы трения скольжения всегда отрицательна. Но она

может быть и положительна – все дело в выборе системы отсчета.

Кинетическая энергия. Наиболее простым является понятие

кинетической энергии. Используя определение работы и второй закон

Ньютона, нетрудно показать, что во всех случаях работа любой силы F равна

изменению кинетической энергии тела K = (mv2)/2: A = (F S) = K. Природа

силы здесь совершенно не важна – это может быть сила тяготения, сила

упругости или сила трения. Кинетическая энергия отдельного тела

определяется его массой и скоростью и не зависит от того, взаимодействует

это тело с другими телами или нет. Величина кинетической энергии тела, как

и работа силы, зависит от системы отсчета.

Кинетическая энергия системы тел равна сумме кинетических энергий

тел, входящих в эту систему.

Потенциальная энергия (энергия взаимодействия тел). Не всегда

подчеркивается, что потенциальная энергия в механике – это энергия

взаимодействия по крайней мере двух тел. Понятие потенциальной энергии

относится к системе тел, а не к одному телу. Если в системе имеется

несколько тел, то полная потенциальная энергия системы тел равна сумме

потенциальных энергий всех пар взаимодействующих тел (любое тело

взаимодействует с каждым из остальных). Обычно при выводе формулы,

связывающей изменение потенциальной энергии с работой сил, одно из тел

системы принимается за неподвижное. Так, когда рассматривается падение

груза на Землю под действием силы тяжести, то смещением Земли можно

пренебречь. Поэтому работа сил взаимодействия между Землей и грузом

сводится к работе только одной силы, действующей на груз. Или другой

пример. Сжатая или растянутая пружина, действующая на тело, обычно

закреплена одним концом, и это конец пружины не перемещается

(фактически он скреплён с Земным шаром). Работу совершает при этом лишь

сила упругости деформированной пружины, приложенная к телу. Из-за этого

потенциальную энергию системы двух тел привыкают рассматривать как

энергию одного тела. Это может привести к путанице.

В действительности справедливо во всех случаях следующее

утверждение: изменение потенциальной энергии двух тел,

взаимодействующих с силами, зависящими только от расстояния между

телами, равно работе этих сил, взятой со знаком минус.

Силы взаимодействия между телами, которые зависят только от

расстояния между телами, являются консервативными силами. Упомянутое

утверждение есть следствие того, что работа консервативных сил

определяется только начальными и конечными положениями тел и не

зависит от формы их траекторий.

Изменение потенциальной энергии легко вычисляется, если известна

зависимость сил от расстояния между взаимодействующими телами.

Нулевой уровень потенциальной энергии. Работа сил

взаимодействия определяет не саму потенциальную энергию, а ее изменение.

Для силы тяжести вблизи поверхности Земли Пт = mgh2 – mgh1, где h1 и h2 –

высоты тела над поверхностью Земли в начальном и конечном состояниях.

Изменение потенциальной энергии деформированной пружины Пупр =

(k l22)/2 - (k l1

2)/2, где k – коэффициент упругости, а l1 и l2 – начальная и

конечная деформация пружины.

Поскольку работа определяет изменение потенциальной энергии, а не

саму энергию, только изменение энергии в механике имеет физический

смысл. Поэтому можно произвольно выбрать состояние системы, в котором

ее потенциальная энергия считается равной нулю. Этому состоянию

соответствует нулевой уровень потенциальной энергии. Выбор нулевого

уровня производится по-разному и диктуется исключительно соображениями

удобства, то есть простоты записи уравнения, выражающего закон

сохранения энергии.

Обычно в качестве состояния с нулевой энергией выбирают такое

состояние системы, при котором П минимальна. Тогда потенциальная

энергия положительна. У пружины потенциальная энергия минимальна в

отсутствие деформации, а у камня – когда он лежит на поверхности Земли.

К выражению потенциальной энергии (любого типа) можно добавить

любую постоянную величину и это ничего не изменит в результатах

применения закона сохранения энергии.

Иногда невозможно выбрать нулевой уровень П таким образом, чтобы

минимальная энергия равнялась нулю. Так, например, потенциальная энергия

тяготения двух материальных точек отрицательна и обратно

пропорционально зависит от расстояния между телами. В этом случае удобно

принять за нулевой уровень потенциальную энергию потенциальную

энергию в состоянии, когда тела бесконечно удалены друг от друга. Тогда

нулевому уровню будет соответствовать не минимальная, а максимальная

энергия. При любом конечном значении расстояния между телами

потенциальная энергия отрицательна.

Независимость потенциальной энергии от выбора системы

отсчета. Отметим, что понятие потенциальной энергии имеет смысл для

таких систем, в которых силы взаимодействия консервативны, то есть

зависят лишь от расстояния между телами или их частями. Соответственно и

П зависит от расстояний: от высоты камня над поверхностью Земли, от

длины пружины, от расстояния между точечными массами или зарядами. От

координат тел потенциальная энергия непосредственно не зависит.

Следовательно, поскольку расстояния во всех системах отсчета, движущихся

или неподвижных, одни и те же, то потенциальная энергия не зависит от

выбора системы координат. Но как такое может быть? Ведь работа равна

убыли потенциальной энергии, а работа зависит от движения системы

отсчета. Здесь проявляется тот факт, что П есть энергия взаимодействия двух

тел, а ее изменение определяется работой сил, действующих на оба тела. При

переходе от неподвижной системы к движущейся меняются обе работы, но

их сумма остается постоянной.

Закон сохранения энергии в замкнутой системе. В замкнутой

системе, в которой действуют консервативные силы, работа этих сил A = -

П. с другой стороны, во всех случаях A = K. Это означает, что при

совершении работы увеличение кинетической энергии сопровождается

убылью потенциальной и наоборот. Отсюда вытекает закон сохранения

полной механической энергии для замкнутой системы тел. E = K + П = Const.

Все это достаточно просто и неверные представления встречаются

достаточно редко. Иначе обстоит дело, если на систему действуют внешние

силы.

Изменение энергии системы под действием внешних сил. Наиболее

распространены здесь два недоразумения.

Во-первых, не всегда отчетливо понимают, что внешние силы

непосредственно изменяют лишь кинетическую энергия тел системы, но не

потенциальную энергию взаимодействия этих тел. Изменение потенциальной

энергии системы всегда определяется работой сил взаимодействия

(внутренних сил). Конечно, внешние силы изменяют расположение тел

системы (так как изменяется их кинетическая энергия), и за счет этого

меняется работа внутренних сил, а значит, меняется потенциальная энергия

системы. Но если бы в системе не действовали консервативные силы, то

потенциальная энергия при этом не изменялась бы. Действительно, пусть на

систему, состоящую из камня и Земли, действует внешняя сила F. Этой силой

может быть, например, натяжение веревки, привязанной к камню. Тогда,

согласно второму закону Ньютона, ma = F + mg. Пусть за некоторый

промежуток времени камень переместился вертикально вверх на S.

Умножая выражение для второго закона Ньютона слева и справа на S,

получим: m(a S) = (F S) + m(g S), или m(a S) - m(g S) = (F S). Первое

слагаемое слева есть изменение кинетической энергии. Второе слагаемое

слева есть изменение потенциальной энергии П. Заметьте, что изменение

потенциальной энергии произошло за счет работы сил взаимодействия Земли

и камня. А правая часть – это работа внешней силы, которую можно назвать

внешней работой Авнеш. Поэтому последнее равенство можно записать так:

К + П = Авнеш, то есть изменение механической энергии системы равно

работе внешней силы.

Другое заблуждение более серьезно. Работа силы, действующей на

тело, определяется силой и перемещением тела. Но рассматриваемое тело,

согласно третьему закону Ньютона, действует на другое тело (или тела), и

при этом тоже может совершаться работа. Однако вычислить эту последнюю

работу мы не можем, если не знаем перемещения других тел. Тем не менее

очень часто утверждается, что если внешние по отношению к

рассматриваемой системе силы совершают работу Авнеш, то силы,

приложенные со стороны системы к внешним телам, совершают такую же по

величине работу A’, имеющую противоположный знак. Но ведь так будет

лишь в том случае, когда рассматриваемая система и внешние силы

совершают одинаковые перемещения. А это имеет место далеко не всегда.

Силы по третьему закону Ньютона обязательно равны по величине и

противоположны по направлению, но перемещения не обязаны быть

равными.

В качестве примера рассмотрим две простейшие системы – земной шар

и падающий на него камень. Тогда силы тяготения и для Земли и для камня

будут считаться внешними силами. Сила тяжести, приложенная к камню,

совершает работу Авнеш = mgh, а сила, приложенная к Земле, никакой работы

не совершает, т.к. Земля не смещается.

Иное дело, если, например, камень поднимают рукой. Тогда работа

внешней силы F1, приложенной к камню, в точности равна по величине и

противоположна по знаку работе силы F2, приложенной к руке со стороны

камня. Точно так же работа, которую совершает двигатель, связанный

ременной передачей со станком, равна по величине и противоположна по

знаку работе, совершаемой станком над двигателем.

Роль сил трения. Силами, зависящими от скорости, в механике

являются силы трения. Как и все силы, силы трения изменяют кинетическую

энергию системы. Причем, хотя силы трения могут совершать и

положительную работу, суммарная работа сил трения внутри системы всегда

отрицательна, и они уменьшают кинетическую энергию системы. Понять,

почему так происходит, можно на таком примере.

Найдем изменение кинетической энергии в системе, состоящей из

тележки массой M, движущейся без трения со скоростью v0 по гладкой

горизонтальной поверхности, и кирпича массы m, положенного на тележку в

начальный момент времени. Пусть кирпич сначала скользит по тележке и

проходит относительно нее расстояние l. После этого кирпич движется

вместе с тележкой. Коэффициент трения между кирпичом и тележкой равен

k. За время t тележка пройдет относительно Земли путь s, а скользящий по

ней кирпич пройдет путь (s – l). После этого они будут двигаться с

одинаковой скоростью v. Сила трения скольжения F1 = kmg совершает

работу, которая увеличит кинетическую энергию кирпича: A1 = kmg(s - l);

K1 = (mv2)/2. Работа силы трения F2 = -kmg, действующей на тележку, будет

отрицательной, что вызовет уменьшение кинетической энергии тележки: A2

= -kmgs; K2 = (Mv2)/2 - (M(v0)

2)/2. Складывая почленно эти уравнения,

получим, что убыль кинетической энергии системы равна работе силы

трения на пути, равном относительному перемещению кирпича и тележки.

Итак, работа силы трения ведет к убыли кинетической энергии системы. Но

при этом под действием силы трения потенциальная энергия системы не

увеличивается, как это происходит под действием консервативных сил. Это

является следствием того, что силы трения зависят не от расстояний между

телами, а от их относительных скоростей. В результате работа этих сил

зависит от формы траектории тела, а не только от его начального и

конечного положения в пространстве. Силы трения, действующие внутри

системы, изменяют кинетическую энергию системы так же, как и внешние

силы. Поэтому при наличии сил трения в замкнутой системе ее механическая

энергия убывает. В связи со сказанным может возникнуть такой вопрос.

Известно, что сила трения может поднять кирпич на движущемся с

постоянной скоростью транспортере. Не означает ли это, что работа этой

силы увеличивает потенциальную энергию системы кирпич–Земля? Конечно,

нет. В данном случае положительная работа силы трения равна

отрицательной работе составляющей силы тяжести вдоль наклонной

плоскости. Из-за этого кинетическая энергия кирпича не изменяется.

Потенциальная же энергия кирпича растет, так как сила взаимодействия

между Землей и кирпичом, то есть сила тяжести, совершает при подъеме

кирпича отрицательную работу.

Закон сохранения импульса. Импульсом материальной точки называется

произведение массы точки на ее скорость: p = mv. Импульсом системы

материальных точек называется векторная сумма импульсов отдельных

точек: pсист = p1 + p2 + ... Любое макроскопическое тело или несколько

макроскопических тел можно рассматривать как систему материальных

точек, поскольку каждое тело можно мысленно разбить на сколь угодно

малые части и считать их материальными точками. В дальнейшем систему

материальных точек для краткости будем называть просто системой.

Из законов Ньютона следует, что в инерциальной системе отсчета

справедливо векторное равенство F t = p, где F – сумма всех внешних сил,

действующих на систему в течение сколь угодно малого интервала времени

t ( t > 0), а p – изменение импульса системы за это время. Произведение F

t называется импульсом силы. Обратите внимание, что F – это сумма только

внешних сил, т.е. сил, действующих на тела системы со стороны тел, не

входящих в систему. Внутренние силы, т.е. силы взаимодействия между

частями системы, в это равенство не входят.

Если в течение времени t сумма внешних сил равна нулю, т.е. F = 0,

то p = 0 и p = const, т.е. импульс системы в течение t сохраняется. Когда

время взаимодействия тел системы (время опыта) не мало, его можно разбить

на сколь угодно малые интервалы. Если в течение каждого такого интервала

сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы будет сохраняться в

течение этого интервала и, как следствие, в течение всего времени опыта.

Напомним, что замкнутой (изолированной) системой называется система,

тела которой не взаимодействуют с другими телами (внешним миром). Ясно,

что для замкнутой системы F = 0 и p = const.

Итак, в инерциальной системе отсчета импульс системы материальных

точек сохраняется в течение некоторого времени t (не обязательно малого) в

двух случаях:

1) система в течение t замкнута (изолирована);

2) система не замкнута, т.е. внешние силы есть, но их сумма равна

нулю в течение всего времени t.

Это утверждение и представляет собой закон сохранения импульса в

развернутой формулировке.

Импульс системы - это вектор, и его сохранение в течение некоторого

времени взаимодействия частей системы встречается не так часто, хотя бы

потому, что в земных условиях строго замкнутой системы нет в принципе из-

за наличия внешней силы – силы притяжения к Земле. Да и равенство нулю

суммы всех внешних сил на протяжении некоторого интервала времени

может реализоваться только при вполне определенных условиях. Гораздо

чаще встречается случай, когда за время t векторная сумма внешних сил не

равна нулю, но равна нулю сумма их проекций на некоторую ось X в

пространстве. Тогда в течение этого времени сохраняется проекция на ось X

импульса системы. Действительно, запишем приведенное выше равенство в

проекциях на ось X: Fx t = px, где Fx – проекция на ось X суммы всех

внешних сил (по правилам действия с векторами Fx равна сумме проекций на

ось X всех внешних сил), а px – проекция на ось X изменения импульса

системы p (по правилам действия с векторами px равна изменению

проекции на ось X импульса системы). Если в течение времени t > 0 Fx = 0,

то из этого равенства следует, что px = 0 и px = const. Если же время t

опыта не мало, то после разбиения его на сколь угодно малые интервалы

легко показать, что при выполнении в течение произвольного t условия Fx =

0 будет иметь место следствие px = const.

Иными словами, в инерциальной системе отсчета проекция на

некоторую ось X импульса системы материальных точек сохраняется в

течение некоторого времени t (не обязательно малого), если сумма

проекций на ось X всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю в

течение этого времени t.

На основании этого утверждения о сохранении проекции импульса и

решается большинство задач. При этом часто запись уравнения,

отражающего сохранение проекции импульса в виде равенства начальной и

конечной проекций импульса, обосновывается фразой «по закону сохранения

импульса», что не совсем точно. Но поскольку эта неточность не влияет на

результат при решении задачи, на нее, как правило, никто не обращает вни-

мания.

Литература к Модулю 2.1

Основная:

1. Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика в

примерах и задачах. М.: Наука, 1979.

2. И.И.Воробьев и др. (под ред. О.Я.Савченко) Задачи по

физике. М. Наука, 1988.

3. Баканина Л.П., Белонучкин В.Е., Козел С.М., Мазанько

И.П. Сборник задач по физике. М.: Наука, 1990.

4. Гольдфарб Н.И. Физика. Задачник. М.: Дрофа, 2000.

5. Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я., Сараева

И.М. Сборник задач по элементарной физике: Пособие для

самообразования. М.: УНЦ ДО МГУ, 2004, 440 с.

Дополнительная:

1. Долгов А.Н., Муравьев С.Е, Соболев Б.В. Задачи

вступительных экзаменов и олимпиад по физике с решениями.

Молекулярная физика и термодинамика. М.: МИФИ, 2008.

2. Муравьев С.Е. Олимпиада «Росатом»-2009 по физике. М.:

МИФИ, 2010.

3. Долгов А.Н., Протасов В.П., Соболев Б.В. Сборник задач по

физике с решениями и ответами. Часть 3. Электричество и оптика. М.:

МИФИ, 2001.

Модуль 2.2.

Использование курса довузовской подготовки “Металлические порошки

и наноматериалы ” средствами дистанционного обучения НИЯУ МИФИ

в рамках модели «Школы партнеры – вуз», обеспечивающего

формирование специализированных интересов в данной области знаний,

проектной и исследовательской деятельности


Модуль 2.2. «Использование курса

довузовской подготовки “Металлические

порошки и наноматериалы” средствами

дистанционного обучения НИЯУ МИФИ в

рамках модели «Школы партнеры – вуз»,


специализированных интересов в данной

области знаний, проектной и

исследовательской деятельности»

Коли

чество

часов

Форма

обучения

Тема 1. Методы получения

металлических порошков, наноматериалов и

изделий из них

6

Тема 1.1. Методы синтеза металлических

порошков.

3 Лекция

Тема 1.2. Методы получения объемных

нанокристаллических материалов

3 Лекция

Тема 2. Нанотехнологии в современном

мире

6


применения металлических порошков и


2 Лекция

Тема 2.2. Разработка и применение 2 Лекция

конструкционных и функциональных

объемных наноматериалов.

2 Практическая

работа

Итого 12


1. Дайте определение терминам наноматериалы, нанотехнологии и

наноиндустрия.

2. Приведите примеры методов получения наноматериалов.

3. Приведите примеры методов получения нанопорошков.

4. Чем характеризуется дисперсность материала?

5. Дайте определение удельной поверхности порошка.

6. Каков размер частиц нанопорошков?

7. Назовите методы интенсивной пластической деформации.

8. Зависят ли упругие модули материала от размера зерна?

9. В чем преимущество и недостатки получения нанопорошков

методом испарения и конденсации?

10. Назовите методы консолидации нанопорошков.

11. Какие методы прессования порошков Вы знаете?

12. В чем преимущество методами гидростатического прессования

по сравнению с методом одноосного прессования?

13. Почему для спекания нанопорошков применяют метод

микроволнового нагрева?

14. Почему применяют методы спекания под давлением?

15. Каким образом из аморфных сплавов получают наноматериалы?

16. Каким законом описывается зависимость твердости или

прочности от размера зерна?

17. Влияет ли пористость на свойства материалов?

18. Приведите примеры применения наноматериалов в

промышленности, микромеханике и медицине.


1. Опишите процессы, происходящие при разрушении металла.

2. Опишите механизмы и установки, применяемые для измельчения

материалов.

3. Дайте сравнительную характеристику физико-механических и

физико-химических методов получения металлических порошков

4. Опишите процессы восстановления и их применение для разных

металлов и восстановителей.

5. Опишите электролиз водных растворов или расплавленных солей

металлов.

6. Опишите химические свойства порошковых материалов и

методы их определения.

7. Опишите физические свойства порошковых материалов и методы

их определения.

8. Опишите технологические свойства порошковых материалов и

методы их определения.

9. Дайте сравнительный анализ ситового и седиментационного

метода определения гранулометрического состава порошков.

10. Опишите процессы, происходящие при уплотнении порошков.

11. Дайте сравнительный анализ холодного и горячего формования.

12. Опишите виды изостатического формования.

13. Опишите процессы, происходящие в формованных заготовках

при спекании.

14. Объясните сущность и опишите основные стадии твердофазного

спекания.

15. Опишите методы дополнительной обработки изделий

порошковой металлургии.

16. Опишите особенности свойств наноматериалов, обусловленные

размерным фактором.

17. Дайте сравнительную характеристику методов получения

нанопорошков.

18. Опишите принципы и особенности методов консолидации

нанопорошков.

19. В каких областях и почему применяются наноматериалы?


Задачей курса является обучение школьников теоретическим

основам и технологии процессов производства металлических порошковых

материалов и наноматериалов. Для наиболее полного и грамотного

использования современных методик школьники должны научиться хорошо

разбираться в физике процессов, происходящих на всех стадиях получения

изделий из порошковых материалов. Школьники должны понимать

технологические процессы производства металлических порошков,

нанопорошков и изделий из них, изучить методы обработки этих изделий для

повышения их эксплуатационных характеристик. Особое внимание следует

уделить уникальности и новизне функциональных свойств наноматериалов,

обуславливающим области их применения


Методы получения металлических порошков. Сущность

порошковой металлургии заключается в производстве порошков и

изготовлении из них изделий, покрытий или материалов

многофункционального назначения по безотходной технологии. Порошки

получают из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного

сырья машиностроительного и металлургического производства.

Технологический процесс производства и обработки изделий и

материалов методами порошковой металлургии включает получение

порошков, их формование в заготовки, спекание (температурную обработку)

и, при необходимости, окончательную обработку (доводку, калибровку,

уплотняющее обжатие, термообработку).

Разнообразие существующих методов производства порошков

определяется тем, что каждый метод обеспечивает получение порошка с

требуемым комплексом свойств и характеристик.

Способы производства порошков в основном можно подразделить на

две группы: физико-механические и физико-химические. К физико-

механическим методам относятся измельчение твердых компактных

металлов, распыление жидких металлов и плазменные процессы получения

порошков. Процессы измельчения происходят под действием внешних сил

без существенного изменения химического состава исходного материала.

В результате же физико-химических методов достигается изменение не

только размеров, но и химического состава исходного материала. Такие

процессы часто сопровождаются рафинированием, т.е. освобождением

металлов от нежелательных примесей. Получаемые порошки, как правило,

отличаются по химическому составу от исходного материала.

Любой металл в виде порошка можно получить одним из этих

способов, однако практическое их применение определяется

экономическими и технологическими соображениями, обусловленными

физико-химическими характеристиками материала.

В практике порошковой металлургии нет четкой границы между двумя

методами получения порошка. Чаще всего в технологическую схему

производства порошка включаются отдельные операции как физико-

механических, так и физико-химических методов получения порошка.

Общая характеристика физико-механических методов получения

металлических порошков.

Дробление и размол. Механическое измельчение, или размол,

является самым старым методом перевода твердых веществ в

порошкообразное состояние. Измельчение стружки, обрезков и компактных

материалов проводят в шаровых, вихревых и молотковых мельницах.

Коэффициент полезного действия таких механизмов относительно невелик.

Таким измельчением получают порошки железа, меди, марганца, латуни,

бронзы, хрома, алюминия, стали.

Недостатком шаровых мельниц, бегунов и других размольных

устройств подобного типа является загрязнение получаемого порошка

продуктами износа шаров и стенок мельниц. Для размола твердых

материалов внутренняя часть барабанов футеруется пластинами из твердых

сплавов и вместо стальных шаров или стержней применяются размольные

тела из твердых сплавов.

Более чистые порошки получаются в вихревых и струйных мельницах,

где измельчающими телами являются сами частицы размалываемого

металла, измельчающиеся при взаимном столкновении в воздушных вихрях

или потоках. Вихревое дробление имеет ряд преимуществ перед другими

способами: оборудование вихревых мельниц несложно и экономично; в

качестве исходного сырья можно применять дешевые отходы

металлообрабатывающей промышленности (стружку); производственный

процесс прост и легко контролируется; порошки при измельчении

получаются чистыми, без посторонних включений; метод применим как для

крупного, так и для мелкого производства.

Выбор метода измельчения определяется такими факторами как вид

исходного материала, возможность изменения физических свойств, степень

загрязнения материала, экономичность процесса, изменение формы частиц

при измельчении. Так, электролитические осадки, обычно твердые, но

сравнительно хрупкие, легко разрушаются в щековых или конусных

дробилках и измельчаются в молотковых или дисковых мельницах. Для

измельчения губчатого металла лучше применять вихревые, струйные и

вибрационные мельницы.

Распыление. Распыление расплава является простым и дешевым

технологическим процессом производства порошков Al, Fe, сталей, Cu, Zn,

Pb, Ni и других металлов и сплавов. Сущность измельчения расплавленного

металла или сплава состоит в дроблении струи расплава при распылении

энергоносителем высокого давления (газа или жидкости) либо механически

(вращающимися лопастями, под действием центробежных сил и др.) или

(при грануляции) в сливании струи расплава в жидкую среду, например воду.

Наиболее распространено распыление расплава газовым потоком (воздухом,

паровоздушной смесью, азотом, аргоном и др.), для которого используют

установки двух типов: с подачей расплава непосредственно в форсуночное

устройство из ванны плавильной печи (в случае металлов и сплавов с

температурой плавления до 700 ºC) или через промежуточный обогреваемый

металлоприемник (в случае материалов с температурой плавления до 1600

ºC). Таким методом получают порошки следующих металлов – алюминий,

свинец, цинк, олово, никель, бронза, латунь, медь, чугун, железо, сталь.

Грануляция. Порошок образуется при литье расплавленного металла в

жидкость (например, в воду). Получаемые порошки имеют относительно

большой размер частиц. Так получают порошки железа, меди, серебра,

свинца, олова, цинка.

Обработка металлов резанием. При станочной обработке компактных

(литых) металлов подбирают такой режим резания, который обеспечивает

образование частиц, а не стружки. Этим методом получают порошковую

сталь, латунь, бронзу, малокремнистый чугун.

Развитие порошковой металлургии материалов с очень маленьким

размером зерен привело к созданию материалов с уникальными свойствами –


Наноматериалы – это материалы, которые содержат структурные

элементы размером от 1 до 100 нм (более строго – характерные элементы

структурно-фазового состояния которого имеют размеры до 100 нм), что

определяет или существенно влияет на их свойства и функциональные

характеристики.

По мере уменьшения размера зерен объемная доля границ раздела,

включая границы зерен, межфазные границы и тройные стыки зерен,

увеличивается, и их влияние на свойства наноматериалов растет. При

уменьшении размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля зернограничных

областей увеличивается от 0,3 до 87,5%.

В принципе, наночастицы могут быть получены как посредством

сборки отдельных атомов, так и дроблением объемного материала.

Существенное уменьшение размера частиц некоторых элементов (Fe,

Cr, Cd, Se) приводит к потере кристаллической структуры (материал

становится аморфным).

Экспериментально наблюдалось понижение температуры плавления

для нанопорошков Sn, Pb, In, Ag, Cu, Al, Bi, Ga, Au. Обусловленное

размерным эффектом заметное понижение температуры плавления

наблюдается, когда размер наночастиц становится меньше 10 нм.

Примером влияния размерного фактора на свойства являются

углеродные нанотрубки, предел прочности которых составляет 45 Гпа, что в

20 раз больше предела прочности стали (эти нанотрубки являются одним из

самых прочных материалом в мире).

Свойства нанопорошков во многом определяются физико-химическими

условиями их синтеза. Общим принципом получения нанопорошков

различными методами является сочетание высокой скорости образования

центров зарождения частиц с малой скоростью их роста. Основные

требования к методам получения нанопорошков заключаются в возможности

контроля и управления параметрами процесса, узком распределении частиц

по размерам, воспроизводимом получении контролируемой дисперсности,

химического и фазового состава.

Получение нанопорошков. Газофазный синтез заключается в

испарении металлов, сплавов и других материалов и последующей

конденсации атомов в условиях контроля температуры и атмосферы. Для

получения частиц наноразмеров более предпочтительной является атмосфера

инертного газа, позволяющая увеличить (по сравнению с вакуумом) скорость

охлаждения частиц. Методы газофазного синтеза различаются, в основном,

по способу испарения материала, а состояние, в котором находится исходный

материал (слиток, порошок, проволока) и среда, в которой происходит

конденсация пара (инертные газы, азот, метан и др.), могут быть различными.

Образующиеся частицы имеют, как правило, сферическую или ограненную

форму.

Особенностью левитационно-струйного метода является испарение

металла в потоке инертного газа, например, из непрерывно подпитываемой и

разогреваемой высокочастотным электромагнитным полем жидкой

металлической капли. С увеличением скорости потока газа средний размер

частиц уменьшается, при этом распределение частиц по размерам сужается.

Таким методом были получены, например, порошки Mn с размером частиц

от 20 до 300 нм, Sb с аморфной структурой и средним размером частиц 20

нм.

При электрическом взрыве проводников материал проволочки при

прохождении по нему мощного импульса тока разрушается, в результате

чего образуются частицы размером от 5 нм до 1 мм, часть материала

проволочки может испариться, а другая часть разлетается в виде жидких

капель. Из первой фазы за счет процесса конденсации в потоке быстро

расширяющегося пара образуются частицы очень малого размера. Таким

способом можно получать металлические и оксидные порошки.

Большое распространение в последнее время получил

плазмохимический метод, когда нагрев и испарение материала происходит в

струе плазмы. Достоинством метода является возможность получения

нанопорошков тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Ta и др.) со средним

размером частиц от 10 до 100 нм, а также соединений (карбиды, нитриды,

карбонитриды, оксиды, бориды и силициды). Метод включает в себя

следующие процессы: генерацию плазмы, смешение сырья с плазмой, нагрев

сырья, химическую реакцию, образование и рост частиц, охлаждение. Из-за

высокой температуры плазмы процессы в плазмохимическом реакторе

(нагрев, испарение, термическое разложение, химическое взаимодействие,

образование зародышей и рост частиц) протекают с очень высокой

скоростью – за время порядка 0,01–0,001 с. Сырье используют в

газообразном, жидком (растворы солей) и твердом (в виде порошка)

состоянии. Недостатком этого метода является высокая коррозионная

активность летучих соединений и их значительная стоимость. Для

порошкового сырья, кроме того, возможна его неполная переработка, а также

присутствие примесей исходных металлов и восстановителя.

К плазмохимическому методу достаточно близко примыкает

газофазный синтез с использованием лазерного нагрева реагирующей

газовой смеси.

Криохимический метод синтеза нанопорошков включает в себя

растворение солей, быстрое замораживание полученного раствора,

сублимацию растворителя и далее, при получении оксидов, термическое

разложение продуктов криохимического синтеза. Преимуществом данного

метода является возможность получения гомогенных порошков сложного

состава.

Перспективным методом получения нанопорошков является

разложение нестабильных соединений. Спиртовые производные металлов

(алкоголяты) нашли в настоящее время применение в качестве исходных

веществ для получения оксидных нанопорошков. Оксиды получают в

результате реакций термолиза, окисления и гидролиза. Высокая чистота

образующихся оксидов определяется возможностью глубокой очистки

алкоголятов отсоединений других металлов ввиду их летучести и

растворимости в органических растворителях. Термическое разложение в

среде водорода оксалатов металлов позволяет получать нанопорошки Ni, Cu,

Ag, Pb и Cd, оксиды Al2O3, Cr2O3 и Fe2O3.

Одним из наиболее изученных методов получения нанопорошков

является химическое осаждение из раствора. Метод включает в себя

приготовление растворов солей соответствующих металлов, создание

подходящих условий осаждения (регулирование pH путем добавления

буферных растворов, поддержание необходимой температуры), добавление

осадителя и отделение осадка гидроокиси. В качестве осадителя часто

используют растворы аммиака, углекислый аммоний, щавелевую кислоту,

оксалат аммония, а в качестве осаждаемых веществ предпочтительно

использовать растворимые азотнокислые соли. Метод позволяет получать

нанопорошки оксидов или, после термообработки в восстановительной

среде, нанопорошки металлов. Основными недостаткам метода являются

использование больших объемов жидкостей, значительное содержание

примесей, заметный рост частиц в процессе синтеза, значительный разброс

частиц по размерам.

Метод химического (жидкофазного) восстановления из растворов

применим к таким металлам, как Cu, Ag, Ni, имеющим невысокие значения

восстановительного потенциала. Метод заключается в приготовлении

раствора органической соли соответствующего металла с последующим

добавлением сильного восстановителя и отделением выпавшего в осадок

металлического порошка. Размер частиц полученного порошка составляет

20–40 нм.

Метод газофазных реакций основывается на использовании

химических реакций паров соединений металлов, гомогенном образовании

зародышей из газовой фазы и дальнейшем их росте. При этом можно

использовать реакции термического разложения соответствующих

газообразных соединений на твердые и газообразные вещества. В качестве

исходного сырья в основном применяют хлориды металлов, а также

оксихлориды, алкоксиды и алкильные соединения. Размер получаемых

частиц зависит от температуры пламени (или плазмы) и скорости

охлаждения.

Гидротермальный синтез основан на процессах, происходящих в

водных средах при повышенных температурах (100–370 ºC) и давлениях (до

100 МПа), при которых реализуются химические реакции (гидротермального

разложения, окисления), не происходящие в обычных условиях. Этот метод

позволяет получать оксидные нанопорошки с узким распределением частиц

по размерам.

Микроэмульсионный метод включает приготовление эмульсии из двух

несмешивающихся жидкостей (например, водный раствор и масло),

осаждение гидроксида металла в пределах капель водной фазы посредством

добавления органического осадителя, разделение компонентов и сушку

продуктов осаждения.

Химико-металлургический метод получения нанопорошков

заключается в синтезе маловодных гидроксидов (методом гетерофазного

взаимодействия) и их термообработке в восстановительной среде (например,

в водороде) в случае получения металлических (или металлокерамических)

порошков или на воздухе в случае получения оксидных порошков. Метод

позволяет получать нанопорошки узкого фракционного состава с низким

содержанием примесей и не требует использования дорогого

технологического оборудования.

Получение объемных наноматериалов. Для получения объемных

наноматериалов используют консолидацию нанопорошков, которая

происходит по тем же технологическим схемам, что применяются и для

традиционных порошковых материалов (компактирование с возможным

последующим спеканием, спекание под давлением). Из существующих

методов для прессования нанопорошков чаще всего применяется одноосное

прессование – статическое, динамическое (магнитно-импульсное, взрывное)

и вибрационное (обычно ультразвуковое) прессование. Для получения

высокоплотных однородных материалов используется всестороннее

(изостатическое) прессование: гидростатическое, газостатическое,

квазигидростатическое (в специальных пресс-формах). Также применяется

метод интенсивного пластического деформирования – кручение под высоким

давлением, иногда для получения лент применяют прокатку.

Применение квазигидростатического прессования позволяет повысить

плотность прессовок по сравнению с одноосным прессованием. Весьма

перспективным представляется компактирование методами интенсивной

деформации. Компактирование порошков меди со средним размером частиц

28 нм, полученных механическим размолом в шаровой мельнице, кручением

под высоким давлением позволило получить образцы диаметром 20 мм и

толщиной 0,5 мм, имеющих при размере зерна 75 нм пористость 2%.

Если необходимо получить материалы с большой пористостью, для

компактирования применяют обычную прокатку.

Процессы спекания порошковых наноматериалов после

компактирования подчиняются тем же законам, что и для обычных

порошков. Перспективным способом получения объемных наноматериалов

является спекание нанопорошков под давлением. Для получения объемных

металлических наноматериалов предварительно прессуют заготовку до

относительно низкой плотности (30–40% от теоретической), затем ее

нагревают до температуры восстановления оксидов с выдержкой до полного

их восстановления и прессуют под давлением, необходимым для достижения

плотности, близкой к теоретической плотности материала.

Метод газовой экструзии, заключающийся в получении прессовки

гидростатическим методом при комнатной температуре, предварительной ее

термической обработке в среде водорода при низкой температуре и

экструдировании при повышенной температуре, позволяет компактировать

порошки при кратковременном температурном воздействии и достаточно

больших давлениях. Метод газовой экструзии отличается от других методов

получения объемных наноматериалов тем, что обрабатывемый материал

подвергается интенсивной пластической деформации выдавливанием

(экструзией) в условиях высокого гидростатического давления инертного

газа при высокой температуре. В этом методе применяется локальный нагрев

обрабатываемой заготовки в зоне деформации. Процесс позволяет

регулировать скорость и температуру деформации.

При компактировании ультрадисперсных порошков в конкретные

детали необходимо учитывать их специфические свойства – значительную

удельную поверхность и избыточную поверхностную энергию. Вследствие

этого они обладают большой реакционной способностью и пирофорностью,

что требует при работе с ними специальной (защитной) атмосферы. Кроме

этого, с уменьшением размера частиц существенно изменяются

электрические и магнитные свойства порошков (особенно при среднем

диаметре зерен менее 10 нм). С уменьшением размера частиц существенно

возрастает необходимое давление прессования.

Применение наноматериалов. Уникальные свойства наноматериалов

обусловлены двумя причинами. Во-первых, число атомов на поверхности

частиц или на границах зерен сопоставимо с числом атомов, расположенных

в объеме частиц или зерен, поэтому физико-химические свойства

наноматериалов в значительной степени определяются этими атомами. Во-

вторых, при очень малых размерах зерен начинают проявляться квантовые

эффекты. Такие фундаментальные свойства химических веществ, как

температура плавления, модуль упругости, электропроводность и другие,

которые ранее считались структурно-независимыми, как оказалось, зависят

от размера структурных фрагментов (размера частиц, размера зерен).

Наноматериалы находят применение в таких отраслях

промышленности, как химия, электроника, медицина, автомобильная

промышленность, косметика и др.. Такие наноматериалы как сажа,

различные оксиды (кремния, титана, алюминия, железа), производятся

многие годы в промышленных масштабах в виде сухих порошков, жидких

суспензий или паст. Полупроводниковые теллурид кадмия CdTe и арсенид

галлия GaAs, нанопорошки металлов (серебро, золото) и сплавов, а также

фуллерены, производятся в небольших количествах. Рост производства

нанопорошков растет из года в год. Разработаны технологии получения

углеродных, металлических и полупроводниковых наноматериалов в виде

проводов, трубок и стержней.

Нанесение наноструктурных покрытий и слоев, а также изменение

свойств поверхности материалов открывает широкие возможности для

применения новых функциональных свойств материалов. Высокие твердость

и износостойкость наноструктурных покрытий применяются для защиты от

износа деталей машин и механизмов. Высокие термостойкие,

теплоизоляционные и коррозионностойкие свойства покрытий используют

для защиты машин и оборудования, турбин, двигателей и строительных

сооружений. Высокие магниторезистивные свойства применяют для

изготовления сенсоров и памяти для хранения данных, ультратонкие

диэлектрические покрытия применяют в полевых транзисторах. На

медицинские импланты наносят биосовместимые покрытия, используют

антимикробные покрытия, изготавливают стерильные медицинские

инструменты и перевязочный материал. Антиадгезионные, гидрофобные или

гидрофильные смачивающие свойства поверхности применяют для

получения самоочищающихся тканей и керамики, для создания защитных

покрытий. Широко используются оптические свойства наноструктурных

покрытий – применяют просветленные, фото- и электрохромные покрытия.

Применение материалов с порами размером около нескольких нанометров

обусловлено наличием у них уникальных свойств – большой удельной

поверхности (до 1000 м2/г) и однородного распределения пор по размерам.

Пористые материалы используются в катализе, в качестве фильтров и

мембран, селективных адсорбентов, сенсорных материалов и матриц для

получения большого количества композиционных материалов, находят

применение вследствие особых теплоизоляционных свойств.

Применение наноматериалов позволяет создавать принципиально

новые устройства, конструкции и приборы с такими эксплуатационными

параметрами, которые недостижимы при использовании традиционных

материалов. В ближайшее время предполагается разработать

конструкционные и специальные функциональные наноматериалы с уровнем

прочностных и других физико-химических свойств, в 2–3 раза превышающих

уровень лучших аналогов, применительно к требованиям авиакосмической,

электротехнической, электронной, химической, инструментальной

промышленности, вычислительной, сенсорной и медицинской техники,

систем экологической безопасности.


Основная:

1. Физическое материаловедение (в 6 томах)/Под ред. Б.А. Калина.

Том 5. Материалы с заданными свойствами. – М.: МИФИ, 2008, – 672 с.

2. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. – М.:

Металлургия, 1991. – 205 с.

3. 2Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. – М.:

Металлургия, 1987. – 208 с.

4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. –

М.: Издательский центр “Академия”, 2005. – 192 с.

5. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение,

2007. – 496 с.


1. Сайт журнала “Российские нанотехнологии” http://www.nanorf.ru

2. Фейнман Р.Ф. Внизу полным полно места: приглашение в новый

мир физики// Российский химический журнал, 2002, т. XLVI, №5, с. 4-6.

3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии.- М.:Техносфера, 2005

Модуль 2.3

Организация подготовки к ГИА по физике средствами дистанционной

школы при НИЯУ МИФИ при реализации модели взаимодействия



Модуль 2.3. «Организация подготовки к

ГИА по физике средствами дистанционной

школы при НИЯУ МИФИ при реализации

модели взаимодействия «Школы партнеры –

вуз»»

Коли

чество

часов

Форма

обучения

Тема 1. Особенности изучения раздела

“Тепловые явления”.

4

2

Лекция


работа

Тема 2. Методика подготовки к ГИА

раздела «Электрические явления»

4

2

Лекция


работа

Итого 12



1. В кипящий чайник, стоящий на плите, долили ковш холодной

воды. Вода закипела снова через 3 мин. Через сколько времени закипела бы

эта вода, если бы ее не доливать в кипяток, а поставить непосредственно в

ковшике на плиту. Ответ объясните. Теплотой, пошедшей на нагревание

ковшика, пренебречь.

2. Из чайника с кипятком отлили стакан горячей воды, долили

столько же холодной и поставили на плиту. Вода закипела через 2 мин. Затем

отлили 2 стакана кипятка, долили в чайник 2 стакана холодной воды и снова

поставили на плиту. Через сколько времени вода закипит? Ответ поясните.

3. Для охлаждения установки мощностью 10 кВт используется

проточная вода, которая прогоняется по трубке поперечного сечения 1 см2.

При установившемся режиме работы вода в охлаждающей системе

нагревается на 20°C. Какова скорость протекания воды по системе, если ρв =

1000 кг/м3, cв = 4200 Дж/кг·°C?

4. В переохлажденную воду при −1°C бросают очень маленькую

крупинку льда. Начинается процесс кристаллизации. Какая часть воды при

этом замерзнет? Теплообмен с внешней средой отсутствует. cв = 4200

Дж/кг·°C, λ = 3,4·105 Дж/кг

5. Весь лед растаял через 30 мин. А сколько времени он нагревался

на той же горелке от −20°C до температуры плавления? λводы = 3,4·105 Дж/кг,

cльда = 2100 Дж/(кг·°C).

6. В алюминиевый сосуд массой 200 г налили 0,1 кг воды при

температуре 10°C. В воду бросили 30 г льда при температуре −6°C. Какая

температура установится в сосуде? (cводы = 4200 Дж/кг·°C, cльда = 2100

Дж/кг·°C, cалюминия = 920 Дж/кг·°, λльда = 3,4·105 Дж/кг.

7. Известно, что вода в чайнике вся выкипела за 40 мин. А сколько

времени она нагревалась па этой плитке от 15°C до кипения? (cводы = 4200

Дж/(кг·°C), Lводы = 2,3·106 Дж/кг). Количество теплоты, пошедшее на

нагревание чайника, не учитывать.

8. Смесь снега с водой находится в калориметре. В него наливают

200 г воды при температуре 20°C, при этом весь снег тает и превращается в

воду массой 500 г при температуре 0°C. Определить начальное процентное

содержание снега в воде. , cводы = 4200 Дж/кг·°C, λ = 3,4·105 Дж/кг.

9. Определить КПД нагревателя мощностью 1 киловатт, если

известно, что с его помощью смесь, состоящая из 200 г льда при температуре

0°C и 2 л воды при температуре 10°C, закипает за 20 минут. Удельная

теплота плавления льда 3,4·105 Дж/кг, удельная теплоемкость воды - 4200

Дж/(кг·град), 1 ватт = 1 Дж/с.

10. В один литр воды, имеющей температуру 10°C, опускают кусок

льда, имеющей температуру -10°C. Через некоторое время в воде оказался

кусок льда массой 100 г, после чего таяние льда прекратилось. Сколько весил

исходный кусок льда?

11. В закрытом сосуде, соединенном с насосом, находится вода при

0°C. Воду заморозили посредством собственного испарения. Определить,

какая часть воды при этом испарилась. [λльда = 340 кДж/кг, Lводы = 2300

кДж/кг]

12. Сколько дров надо сжечь в печке с КПД 0.4, чтобы получить из

200 кг снега, взятого при температуре -10°C, воду при температуре 20°C.

Удельная теплота сгорания дров q = 10 МДж/кг; удельная теплоемкость льда

cл = 2.1 кДж/кг·°С; удельная теплота плавления льда λ = 330 кДж/кг; удельная

теплоемкость воды cв = 4.2 кДж/кг·°C.

13. Теплоизолированный баллон разделен перегородкой на две

равные части. В одной половине находится разреженный гелий, а в другой -

пустота. Изменится ли внутренняя энергия газа, если перегородка внезапно

разрушится и газ заполнит весь сосуд? Ответ обоснуйте.

14. Взрыв порохового заряда массой m = 980 г подбросил скалу на

высоту h = 5,02 м. Какова масса M скалы, если вся энергия, выделяющаяся

при сгорании пороха, затрачена на подъем скалы? Трение о воздух не

учитывать. Удельная теплота сгорания пороха q = 5,02 МДж/кг.

15. Воду с температурой 20°C поместили в морозильную камеру.

Через 5 мин вода остыла до 0°C. Через какое время вся вода превратится в

лед? Считать, что скорость остывания не зависит от температуры. Плотность

воды 1000 кг/м3. Плотность льда 900 кг/м

3. Удельная теплоемкость воды

4,2·103 Дж/(кг·°C). Удельная теплота плавления льда 3,5·10

5 Дж/кг.

16. В чайнике нагревают воду кипятильником, подключенным к

источнику постоянного напряжения U. Масса воды равна m, а ее удельная

теплоемкость - c. Начальная температура воды - T0. Через какое время вода

закипит? Всеми потерями тепла и неоднородностью нагревания воды

пренебречь. Электрическое сопротивление кипятильника зависит от

температуры линейно: R = R0+ aT, где a и R0 - постоянные величины.


1. Между точками A и B приложено некоторое напряжение.

Подобрать значение сопротивления R так, чтобы при замыкании ключа

стрелка амперметра не отклонялась.

2. Электронагревательная спираль находится под напряжением 220

В. Она выполнена из никелевой проволоки длиной 10 м и сечением 0,1 мм2.

После замены части спирали нихромовой проволокой той же толщины

мощность спирали изменилась на 440 Вт. Участок какой длины был заменен?

Удельное сопротивление нихрома 1,1·10-4

Ом·см, никеля - 1,2·10-5

Ом·см.

3. Если к некоторому сопротивлению приложить напряжение

2201

U В, на нем будет выделятся мощность 10001

P Вт. Какая мощность

будет выделяться на этом же сопротивлении, если к нему приложить

напряжение 1102

U В?

4. Два одинаковых проводника, изготовленных так, что их удельное

сопротивление линейно изменяется с расстоянием от их начал (r = kL, где r -

удельное сопротивление проводника, k - известный постоянный

коэффициент, L - расстояние от начала проводника до данной точки).

Проводники соединены параллельно так, что у одного удельное

сопротивление возрастает справа налево, а у другого - наоборот - слева

направо. Эта схема подключена к источнику постоянного тока с

напряжением U0. Какое напряжение показывает идеальный вольтметр,

соединяющий середины этих проводников?

5. В чайнике нагревают воду кипятильником, подключенным к

источнику постоянного напряжения U. Масса воды равна m, а ее удельная

теплоемкость - c. Начальная температура воды - T0. Через какое время вода

закипит? Всеми потерями тепла и неоднородностью нагревания воды

пренебречь. Электрическое сопротивление кипятильника зависит от

температуры линейно: R = R0+ aT, где a и R0 - постоянные величины.

6. Из четырех нихромовых проволок с удельным сопротивлением r,

площадью сечения s и длиной L, выполнена фигура, представляющая собой

крест. Крест подключают к источнику постоянного тока с напряжением U

следующим образом: положительный полюс - к точке пересечения проволок,

отрицательный полюс - к концам креста. Фигуру помещают в термос,

наполненный дистиллированной водой. В некоторый момент времени

замыкают ключ. Через какое время вода закипит? Масса воды - m, удельная

теплоемкость - c, начальная температура - T. Потерями тепла пренебречь.

7. Две бусинки, массой m каждая, подвешены к одной точке на

нитях длиной L. Бусинки заряжены одноименными электрическими

зарядами. Сила взаимного отталкивания между бусинками, когда они

находятся в состоянии равновесия, равна F. Определите, на каком расстоянии

находятся бусинки друг от друга?

8. Проволоку длиной L опускают в калориметр с водой и

подключают к источнику тока с напряжением U. Вода в калориметре

t°C за время t1. Во второй раз в калориметр опустили

квадрат со стороной L, изготовленный из точно такой же проволоки.

Напряжение источника осталось прежним. За какое время нагреется то же

количество воды на столько же градусов?

9. Электронагревательная спираль находится под напряжением 220

В. Она выполнена из нихромовой проволоки длиной 10 м и сечением 0,6 мм2.

После замены части спирали никелевой проволокой той же толщины

мощность спирали изменилась на 120 Вт. Участок какой длины был заменен?

Удельное сопротивление нихрома 1,1·10-4

Ом·см, никеля - 1,2·10-5

Ом·см.


1. На плите нагревается чайник с водой. Масса воды в чайнике 1,5

кг, ее температура в начальный момент t = 65°C. Мальчик, желая ускорить

процесс закипания, доливает в чайник 0,5 л кипятка. Как изменится время до

закипания чайника?

2. Определить массу воды, которая образовалась при таянии льда

объемом 1000V см3 . Плотность льда 900 кг/м

3 .

3. Определить температуру воды, установившуюся после смешения

1m =3 кг воды при температуре 201t С, 2m =5 кг воды при температуре 602t

С и 3m =2 кг воды при температуре 403t С.

4. Изобразите графики зависимости температуры от времени

нагревания двух тел одинаковой массы (нагреватели одинаковые). Удельные

теплоемкости в твердом и жидком состояниях и удельная теплота плавления

у первого тела больше, а температура плавления ниже, чем у второго. Ответ

поясните.

5. В воду, имеющую температуру 10°C, опускают кусок льда

массой 200 г, имеющего температуру -10°C. Через некоторое время в воде

оказался кусок льда массой 100 г, после чего таяние льда прекратилось.

Сколько весила вода? Удельная теплоемкость льда 2100 Дж/(кг·град).

6. Сколько времени потребуется, чтобы в электрическом чайнике

мощностью 400 ватт довести до кипения смесь, состоящую из 1 кг льда при

температуре 0°C и 1 л воды при температуре 20°C если КПД чайника 60%.

Удельная теплота плавления льда 3,4·105 Дж/кг, удельная теплоемкость воды

- 4200 Дж/(кг·град), 1 ватт = 1 Дж/с.

7. В сосуде у поверхности воды плавает кусок льда массой 200 г с

вмерзшей в него свинцовой дробинкой массой 5 г. Какое количество теплоты

необходимо сообщить сосуду, чтобы дробинка переместилась ко дну?

Температура воды и льда 0°C. [λльда = 340 кДж/кг, ρводы = 1000 кг/м3, ρльда =

900 кг/м3, ρсвинца = 11300 кг/м

3]

8. В сосуде находится переохлажденная вода при −2°C. В воду

бросают очень маленький кусочек льда. Начинается процесс кристаллизации.

Определить, какая часть воды при этом замерзнет, если теплообмен с

внешней средой отсутствует. [λльда = 340 кДж/кг, cводы = 4200 Дж/кг·°C]

9. Сколько свинца, взятого при температуре 0°C, можно расплавить за

счет теплоты, полученной при сгорании 1 кг нефти, если КПД нагревателя

0.4. Удельная теплота плавления свинца λ = 2.5·104 Дж/кг; удельная

теплоемкость свинца c = 140 Дж/кг·°C; температура плавления свинца tпл =

327°C; удельная теплота сгорания нефти q = 4.4·107 Дж/кг.

10. В калориметр наливают две жидкости с удельными

теплоемкостями c1 и c2 и начальными температурами t1 и t2. После

установления теплового равновесия температура смеси t, причем t1 < t < t2.

Найдите отношение масс жидкостей m1/m2.


При изучении темы “Тепловые явления” особое внимание следует

уделить следующим понятиям и определениям: Понятие температуры.

Тепловое расширение твердых к жидких тел. Тепловые явления.

Рассмотрение тепловых явлений термодинамическим методом и с точки

зрения молекулярно-кинетической теории. Опытное обоснование основных

положений молекулярно-кинетической теории. Взаимодействие молекул.

Внутренняя энергия тел в газообразном, жидком к твердом состояниях с

точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Тепловое равновесие. Температура. Температурная шкала Цельсия.

Тепловое расширение твердых и жидких тел. Термические

коэффициенты линейного и объемного расширения. Соотношение между

термическими коэффициентами объемного и линейного расширения твердых

тел.

Абсолютная температура. Параметры идеального газа - давление и

температура - с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Температура – мера средней кинетической энергии хаотического движения

молекул.

Количество теплоты. Закон сохранения энергии в термодинамике.

Взаимные превращения жидкостей газов и твердых тел

Работа и теплообмен - два способа изменения внутренней энергии тела.

Эквивалентность теплоты и работы. Первый закон термодинамики.

Количество теплоты. Единица измерения. Теплоемкость. Удельная

теплоемкость. Теплоемкость идеального газа при постоянном объеме и

постоянном давлении. Теплоемкость твердых тел.

Понятие о теплоизолированной системе. Уравнение теплового баланса.

Тепловые машины. КПД тепловой машины. Максимальное значение

КПД тепловой машины, пути повышения КПД. Hеобратимость тепловых

процессов.

Особенности жидкого состояния. Поверхностная энергия.

Поверхностное натяжение. Капиллярные явления. Смачивание. Упругие

деформации твердого тела. Плавление и кристаллизация. Теплота плавления.

Зависимость температуры плавления от давления.

Парообразование и конденсация. Удельная теплота парообразования.

Изменение внутренней энергии вещества при его переходах из одного

агрегатного состояния в другое.

Рекомендации по углубленному изучению темы “Электрические явления”.

С учетом тематики изучения электрических явлений в 8-9 классах основное

внимании следует уделить постоянному электрическому току, а именно

следующим понятиям:

Электрический ток. Сила и плотность тока. Условия возникновения и

поддержания электрического тока в замкнутой цепи. ЭДС источника тока.

Закон Ома для участка цепи 6es источника тока. Электрическое

сопротивление. Удельное сопротивление. Его зависимость от температуры.

Последовательное и параллельное соединения проводчиков. Амперметр.

Шунт к амперметру. Вольтметр. Добавочное сопротивление к вольтметру.

Схемы измерения сопротивлений. Потенциометрическое включение

реостата.

Работа и мощность постоянного тока. Внесистемная единица работы и

энергии тока - киловатт-час. Закон Джоуля-Ленца. Напряжение на участке

цепи и разность потенциалов на концах участка электрической цепи.

Мощность источника тока. Закон Ома для участка цепи, содержащего

источник тока. Закон Ома для замкнутой электрической цепи. Зарядка

аккумулятора.


Закон Джоуля и второй закон термодинамики. Когда в середине

прошлого века был сформулирован второй закон (начало, принцип)

термодинамики, выяснилось, что он накладывает определенные ограничения

на то, как может выглядеть внутренняя энергия U(V,T) для вещества с

определенным уравнением состояния p(V,T). В частности, для идеального

газа с рассмотренным уравнением состояния может быть строго доказан

закон Джоуля.

Второй закон термодинамики накладывает также строгие ограничения

на возможность превращения внутренней энергии хаотического теплового

движения в механическую работу. В формулировке Томсона (лорда

Кельвина) этот закон гласит: «Невозможен круговой процесс, единственным

результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения

теплового резервуара». Простейшим следствием этого закона, имеющим

аналитическую формулировку, является теорема Карно. Сформулируем ее

следующим образом: КПД тепловой машины Карно любого типа,

получающей тепло только от нагревателя с температурой T1 и отдающей

тепло только холодильнику с температурой T2, не может превышать КПД

обратимой машины Карно, равного = (T1 – T2)/T1. Напомним, что Сади

Карно, которого по праву считают основоположником второго закона

термодинамики, сформулировал свою знаменитую теорему в 1824 году,

задолго до окончательного утверждения не только второго, но и первого

закона термодинамики.

Закон сохранения энергии для одноатомного идеального газа. Во всех

тепловых процессах выполняется закон сохранения энергии, или первый

закон (первое начало) термодинамики, который удобно записывать в виде Q

= U + A .Здесь Q - подведенное количество теплоты, А – совершенная

термодинамической системой работа и U -изменение внутренней энергии

системы. Внутренняя энергия является функцией состояния

термодинамической системы и для идеального газа зависит только от его

температуры Т. Для одного моля одноатомного газа она равна U = 3/2 RT

(где R - универсальная газовая постоянная). Любое (как бесконечно малое,

так и конечное по величине) изменение внутренней энергии определяется

лишь разностью температур конечного и начального состояний U = 3/2 R T

и не зависит от способа перехода из начального состояния в конечное. Это

остается справедливым и в том случае, когда газ переводится из начального

равновесного состояния в конечное равновесное состояние в результате

неравновесного необратимого процесса.

Напротив, работа А, которая совершается газом за счет подведенного

тепла или изменения его внутренней энергии, зависит от пути перехода

между двумя равновесными состояниями. Элементарная работа A в любом

обратимом процессе по определению равна произведению давления р на

малое изменение объема газа V в двух соседних равновесных состояниях

этого процесса: A = p V. При конечном изменении объема от V1 до V2 в

обратимом процессе работа газа численно равна площади под кривой

зависимости его давления от объема p(V), ограниченной изохорами V и V2.

В задачах на расчет тепловых процессов с идеальным газом полезным

оказывается введение понятия теплоемкости C газа в данном процессе: Q =

C T, где T – малое изменение температуры газа при подведении к нему

малого количества теплоты Q. Заметим, что введенная таким образом

теплоемкость зависит от вида процесса p(V) и может менять свою величину и

даже знак в ходе этого процесса. Напомним теперь основные характеристики

часто встречающихся процессов. В изохорическом процессе нагрева или

охлаждения газа работа газом (или внешними силами) не производится.

Поэтому подведенное (или отведенное) количество теплоты Q равно

изменению внутренней энергии газа: Q = U = 3/2 R T (для одного моля

газа). Это соотношение оказывается верным для любого изменения

температуры газа – как малого, так и конечного, поэтому соответствующая

изохорическому процессу теплоемкость оказывается постоянной и для

одного моля газа равной 3/2 R. Она называется молярной теплоемкостью при

постоянном объеме и обозначается CV. Таким образом, CV = 3/2 R, а

внутренняя энергия идеального одноатомного газа оказывается равной (об

этом говорилось выше) 3/2 RT = CV T.

В адиабатическом процессе тепло к газу не подводится и не отводится

от него. Работа газом (или над ним) совершается за счет изменения его

внутренней энергии: А = - U = (3/2) R(T2 – T1), где T2 и T1 – температуры в

конечном и начальном состояниях. Это оказывается верным как для малого,

так и для конечного изменения температуры газа, поэтому в адиабатическом

процессе для элементарной работы имеет место равенство A = p V = -

CV T, где V и T – малые, по сравнению с первоначальными значениями,

изменения объема и температуры газа. Теплоемкость в адиабатическом

процессе, очевидно, равна нулю ( Q = C T = 0).

В изотермическом процессе подвода или отвода тепла внутренняя

энергия газа не изменяется. По закону сохранения энергии, подведенное к

газу количество теплоты равно совершенной газом работе: Q = A. При

расширении газа A > 0, при сжатии A < 0 (работа совершается внешними

силами, тепло от газа отводится). Так как температура газа не изменяется ( T

= 0), теплоемкость газа в изотермическом процессе оказывается бесконечно

большой.

В изобарическом процессе нагрева с постоянным давлением p = p0

работа одного моля газа при расширении от объема V1 до объема V2 равна A

= p0(V2 – V1). Подведенное количество теплоты Q идет на совершение работы

и на увеличение внутренней энергии газа U = CV (T2-T1). Для нахождения

теплоемкости Cp в изобарическом процессе воспользуемся уравнением

процесса р = p0 и уравнением состояния pV = RT: Q = Cp T = U + p V =

CV T + R T = (CV + R) T. Отсюда получаем, что теплоемкость при

постоянном давлении постоянна и для одного моля газа равна Cp = CV + R =

(5/2)R. Напомним также определение КПД тепловой машины, работающей

по замкнутому циклу, в результаты которого внутренняя энергия газа

(рабочего тела) не изменяется. По закону сохранения энергии, работа газа в

замкнутом цикле А равна разности количества теплоты Q1, подведенного к

газу, и количества теплоты Q2, отведенного от него. КПД цикла называется

отношение = (Q1 – Q2)/Q1 = A/Q1.

Еще раз подчеркнем, что для нахождения правильного значения КПД

необходимо подсчитать тепло, подведенное на всех участках процессов, со-

ставляющих цикл. Так, например, в изохорических процессах работа газом

не производится, однако тепло подводится или отводится. В задачах могут

также встречаться внешне простые участки зависимости р(V), в ходе которых

тепло как отводится, так и подводится. Если для такого участка найти

«итоговое» подведенное или отведенное тепло, то при подсчете КПД может

возникнуть ошибка. Отметим, наконец, что только для цикла Карно,

состоящего из двух изотерм с температурами нагревателя T1 и холодильника

T2, на которых, соответственно, подводится количество теплоты Q1 и

отводится Q2, и двух адиабат, КПД может быть записан в виде = (Q1 –

Q2)/Q1 = (T1 – T2)/T1.

Внутренняя энергия идеального газа. Внутренняя энергия –

важнейший параметр любой термодинамической системы. Зависимость

внутренней энергии системы от основных параметров, определяющих ее

равновесное состояние, изучается как в рамках термодинамики, так и

методами статистической физики.

В случае однородной однокомпонентной термодинамической системы

основных параметров два – например, температура и объем. Говорят, что

такая система обладает двумя термодинамическими степенями свободы.

Значит, каждому равновесному состоянию системы можно сопоставить одну

точку на координатной плоскости (V,T), а равновесный (квазиравновесный)

процесс изображается линией на этой плоскости. Значение третьего

параметра – давления р – в каждой точке плоскости можно вычислить с

помощью уравнения состояния (в случае идеального газа, например, с

помощью уравнения Клапейрона-Менделеева).

Возникает естественный вопрос: существует ли какая-нибудь связь

между уравнением состояния системы и зависимостью внутренней энергии U

от параметров, определяющих это состояние? Можно ли, зная функцию

p(V,T), что-либо узнать о функции U(V,T)? Простейший (но очень важный)

полигон для изучения этого вопроса - идеальный газ.

Идеальный газ в термодинамике. Закон Джоуля. Чем более

разреженным является реальный газ, тем ближе он к идеальному.

Многочисленные эксперименты действительно показали, что чем более

разрежен газ, тем точнее он подчиняется уравнению Клапейрона-

Менделеева: pV = RT.

Можно сказать, что с точки зрения термодинамики идеальным можно

назвать газ, точно подчиняющийся этому уравнению состояния.

В рамках первого закона (начала, постулата) термодинамики,

выражающего закон сохранения энергии с учетом тепловых процессов,

невозможно, исходя только из уравнения состояния, получить какую-либо

информацию о виде функции U(V,T). Крупнейшие физики прошлого

столетия (Гей-Люссак, Джоуль, Томсон) затратили значительные

экспериментальные усилия для установления этой зависимости. Из их

экспериментов убедительно следовало, что внутренняя энергия идеального

газа зависит только от температуры: U(V, T) = U(T), или U (V1, T) = U (V2,

T).

Это соотношение называют законом Джоуля. Оно выполняется тем

точнее, чем более разреженным является газ, т.е. чем точнее он подчиняется

приведенному выше уравнению состояния.

Опыт показывает, что теплоемкость любого разреженного газа остается

постоянной в широком диапазоне температур: от 10 – 40 К до 1000 – 2000 К.

Теплоемкость одного моля (молярная теплоемкость) любого одноатомного

газа в этом диапазоне температур одна и та же и равна 1,5R, двухатомного –

2,5 R, многоатомного – 3R. В этом случае для внутренней энергии можно

использовать простое выражение U= CVT (напомним, что энергия всегда

определяется с точностью до константы).

Экспериментальное подтверждение закона Джоуля. Эксперименты,

приведшие к установлению закона Джоуля, интересны не только с

исторической точки зрения. Опишем кратко физический смысл этих опытов.

а) Расширение газа в пустоту. Опыты Гей-Люссака и Джоуля. Что

произойдет, если позволить газу свободно расширяться в пустоту? Например,

можно соединить два сосуда – один с газом, другой откачанный – трубкой с

краном и наблюдать за изменением температуры газа после открывания

крана. Как Гей-Люссак, так и повторивший его опыты (в

усовершенствованном виде) Джоуль пришли к выводу, что температура

достаточно разреженного газа в конечном состоянии такая же, как в

начальном. Однако только Джоуль сумел сделать из этого результата

правильный вывод: внутренняя энергия разреженного (идеального) газа не

зависит от объема!

При расширении в пустоту газ не получает тепла (теплообменом за

малое время расширения можно пренебречь) и не совершает работы. Из

первого закона термодинамики следует, что изменение внутренней энергии

за время расширения также равно нулю. Из опытов получаем: U(V1, T) =

U(V2, T), где V1 , V2 – начальный и конечный объемы газа.

При анализе расширения газа в пустоту многие школьники допускают

характерную ошибку. Исходя из того, что тепло в этом процессе не

подводится, они делают вывод, что это не что иное, как адиабатический

процесс, а при адиабатическом расширении, говорят они, газ охлаждается!

Ошибка состоит в том, что адиабатический процесс это равновесный

процесс, происходящий при очень медленном расширении газа без подвода

тепла. При таком расширении газ совершает работу над медленно

перемещающейся перегородкой, и его внутренняя энергия действительно

уменьшается. Расширение же в пустоту процесс неравновесный, газ

расширяется свободно, не совершая работы над стенками сосуда, которые

остаются неподвижными.

А что же будет, если расширению в пустоту подвергнуть плотный газ,

в поведении которого наблюдаются заметные отклонения от идеальности?

Оказывается, температура такого (реального) газа при расширении умень-

шается. Дело в том, что в реальных газах заметную роль играет притяжение

между молекулами и связанная с этим притяжением потенциальная энергия

взаимодействия между молекулами газа. При расширении среднее рас-

стояние между молекулами увеличивается, силы притяжения совершают

отрицательную работу, и потенциальная энергия увеличивается. А поскольку

полная внутренняя энергия остается постоянной, кинетическая энергия

молекул, а значит, и температура газа уменьшаются.

б) Процесс Джоуля-Томсона. Опыты по расширению газа в пустоту не

обладали высокой точностью и не могли служить надежным обоснованием

закона Джоуля. Совместно с Томсоном Джоуль провел серию опытов по

просачиванию газа через пористую перегородку. В двух частях

теплоизолированного цилиндрического сосуда, разделенных пористой

перегородкой (в опытах Джоуля-Томсона использовалась пробка из плотной

ваты и очесов шелка), находится исследуемый газ. Если в левой части сосуда

поддерживать постоянное давление p1, а в правой – меньшее давление p2, то

газ будет очень медленно просачиваться слева направо. Вначале весь газ

находится слева от перегородки при температуре T1, а в опыте измеряется

температура T2 газа в правой части сосуда. Изменение температуры в таком

процессе (T2 - T1) называется эффектом Джоуля-Томсона. При комнатной

температуре для всех исследованных газов был обнаружен отрицательный

эффект Джоуля-Томсона, кроме водорода, для которого эффект был

положительный. Однако во всех случаях при переходе к более разреженным

газам эффект Джоуля-Томсона стремился к нулю. В пределе, т.е. для сильно

разреженных (идеальных) газов, эффект Джоуля-Томсона отсутствует: T1 =

T2! Легко убедиться, что из этого результата следует вывод о независимости

внутренней энергии идеального газа от объема. Если начальный объем газа

V1, а конечный – V2, то работа газа в этом процессе равна А = - p1V1 + p2V2.

Поскольку теплообмен в процессе отсутствует (Q = 0), из первого закона

термодинамики следует: 0 = U2 – U1 + P2V2 - P1V1.

Так как T2 = T1 = T, из уравнения состояния идеального газа следует

P1V1 = P2V2. Значит, U2 (V2> T) = U1 (V1> T).

Изучение процесса Джоуля-Томсона для реальных газов имеет

большое значение – как научное, так и практическое. Оказалось, что для

каждого газа существует так называемая температура инверсии, ниже

которой эффект Джоуля-Томсона становится отрицательным. Процесс

Джоуля-Томсона используется для получения низких температур.


Основная:

1. Стандарт среднего (полного) общего образования по физике: базовый

уровень.

2. Стандарт среднего (полного) общего образования по физике: профильный

уровень.

3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учебник для 9-10-11 кл. ср. шк. – М:

Просвещение, 1993. 254 с.

4. Бендриков Г.А., Буховцев Б.Б., Керженцев В.В., Мякишев Г.Я. Задачи по

физике для поступающих в вузы. – М.: Физ.мат. лит., 2003. 384 с.

5. Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я., Сараева И.М. Сборник

задач по элементарной физике: Пособие для самообразования – М.: УНЦ ДО

МГУ, 2004. 440с.


1. Павленко Ю.Г. Физика. Ответы на вопросы. Теория и примеры решения

задач: Учебное пособие–М.: Экзамен, 2003, 192 с.

2.5 Лист внесения изменений и дополнений

Дата Содержание изменений Причина

(Нормативный акт,

закрепляющий

изменения)

Примечание

3. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ

ПРОГРАММЫ

3.1 Инструментарий для оценивания результатов обучения

Контроль и оценка результатов освоения предмета осуществляется

преподавателем в процессе проведения входного, промежуточного и

итогового контроля, выполнения обучающимися лабораторных работ,

практических работ, индивидуальных домашних заданий, упражнений и

прикладных задач.

Промежуточный контроль- отчеты по лабораторным и практическим

работам, самостоятельные работы по решению задач, доклады, проекты.

Итоговый контроль- тестирование, проекты.

В качестве критериев обучения выбираем:

- глубокие и прочные знания в области физического профиля;

- сформированные мотивы ученика к непрерывному образованию;

- умение самостоятельно учиться;

-сформированность операций умственной деятельности, видение

проблем и выбора путей их решения; усвоение понятий, умение

пользоваться этими понятиями;

- уровень самоорганизации познавательной деятельности.

Для оценки результативности обучения используются параметры:

- уровень мотивации обучения;

- результаты выпускных и переводных экзаменов;

- награждение учащихся золотыми и серебряными медалями;

- процент поступления учащихся в ВУЗы;

- результаты выступления учащихся на гимназических, районных,

городских, областных, региональных, республиканских олимпиадах по

физике, стабильность показателей;

- процент поступления учащихся в профильные ВУЗы.

Результаты

(освоенные умения, усвоенные знания)

Формы и методы контроля и

оценки результатов обучения

1 2

Усвоенные знания:

Смысл понятий: физическое явление,

гипотеза, закон, теория, вещество,

взаимодействие, электромагнитное

поле, волна, фотон, атом, атомное ядро,

ионизирующие излучения, планета,

звезда, галактика, Вселенная и т.д.

Текущий контроль (тестирование,

устный и письменный опрос,

доклад, сообщение, отчет).

Экспертная оценка по критериям.

Оценки результативности обучения

по параметрам.

Смысл физических величин: скорость,

ускорение, масса, сила, импульс,

работа, механическая энергия,

внутренняя энергия, абсолютная

температура, средняя кинетическая

энергия частиц вещества, количество

теплоты, элементарный электрический

заряд и т.д.


устный и письменный опрос).




Смысл физических законов

классической механики, всемирного

тяготения, сохранения энергии,

импульса и электрического заряда,

термодинамики, электромагнитной

индукции, фотоэффекта и т.д.

Текущий контроль (устный и

письменный опрос, практико-

ориентированное задание, доклад,

сообщение, отчет).




Вклад российских и зарубежных

ученых, оказавших наибольшее

влияние на развитие физики


письменный опрос, доклад,


Формализованное наблюдение за

навыками использования

Интернет-ресурсов.




Освоенные умения:

Описывать и объяснять физические

явления и свойства тел: движение

небесных тел и искусственных

спутников Земли; свойства газов,

жидкостей и твердых тел;

электромагнитную индукцию,

распространение электромагнитных

волн; волновые свойства света;

излучение и поглощение света атомом;

фотоэффект и т.д.



доклад, сообщение, отчет).

Формализованное наблюдение.




Отличать гипотезы от научных теорий


письменный опрос).




Делать выводы на основе

экспериментальных данных


письменный опрос, демонстрация,

эксперимент).

Формализованное наблюдение.

Экспертная оценка содержания

вывода с эталонным.



Приводить примеры, показывающие,

что: наблюдения и эксперимент

являются основой для выдвижения

гипотез и теорий, позволяют проверить

истинность теоретических выводов;

физическая теория дает возможность

объяснять известные явления природы

и научные факты, предсказывать еще

неизвестные явления







Приводить примеры практического

использования физических знаний:

законов механики, термодинамики и

электродинамики в энергетике;

различных видов электромагнитных

излучений для развития радио и

телекоммуникаций, квантовой физики в

создании ядерной энергетики, лазеров и

т.д.



практико-ориентированное

задание).




Воспринимать и на основе полученных

знаний самостоятельно оценивать

информацию, содержащуюся в

сообщениях СМИ, Интернете, научно-

популярных статьях





навыками использования

Интернет-ресурсов.




Применять полученные знания для

решения физических задач

Текущий контроль (устный,

практические задания).


деятельностью обучающегося при

выполнении практического

задания.




Определять характер физического

процесса по графику, таблице, формуле

Текущий контроль (устный опрос,

лабораторная работа).

Экспертная оценка устных ответов

по критериям.


деятельностью обучающегося во

время лабораторной работы.

Экспертная оценка содержания

выполненной лабораторной работы

с эталонным.



Измерять ряд физических величин,

представляя результаты измерений с

учетом их погрешностей

Текущий контроль (лабораторная

работа, практико-ориентированное

задание).


деятельностью обучающегося во

время измерений величин.




Использовать приобретенные знания и

умения в практической деятельности и

повседневной жизни.



доклад, сообщение, домашние

наблюдения и исследования,

отчет).


использованием знаний и умений в

практической деятельности.




4. УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Требования к минимальному материально-техническому

обеспечению

Реализация Программы требует совокупности организационных,

телекоммуникационных, педагогических и научных ресурсов, вовлеченных в

создание и практическое осуществление образовательных программ с

использованием дистанционной технологии обучения.

Реализация Программы требует наличия учебного кабинета «Физика».

Учебный кабинет «Физика» имеет учебное оборудование, технические

средства обучения, программное обеспечение, учебно-методический

комплект материалов.

Технические средства обучения:

Комплект технических средств обучения, состоящий из следующих

позиций:

Мультимедийного оборудования (персонального компьютера, колонок,

видеопроектора, экрана для демонстрации и просмотра видеозаписей).

Графопроектора.

Экранно- звуковых средств:

- транспаранты для графопроектора (контрольные работы, тепловой

двигатель, электрическое поле; магнитное поле, атомная, ядерная физика и

др.),

- учебно-методические электронные материалы различных тем

дисциплины: презентации; видеофрагменты опытов; лекции,

демонстрационные опыты, тестовые задания, решение задач на CD дисках

(Интерактивные лекции. Домашняя лаборатория по физике, Виртуальная

школа Кирилла и Мефодия и т.д.)

Плакатных печатных средств по разделам: механика, молекулярная

физика, электродинамика, строение атома и квантовая физика и т.д..

Персональный компьютер в кабинете физики имеет следующее

программное обеспечение:

Операционная система Windows XP

Комплект прикладных программ, входящих в пакет MS Office

Программы утилиты (антивирусная программа ESET NOD 32,

программа-упаковщик WINRAR, служебные программы и пр.)

Программа для распознавания текста Fine Read

Программа для работы с видеопроектором

Программа выхода в сеть Интернет Opera, Mozila Firefox.

4.2 Критериальные значения информационно-технического

оснащения образовательного процесса

№ Показатель Критерии по категориям

Третья Вторая Первая Высшая

1. Библиотечно-

информационные

ресурсы

+

+

1.1. Библиотечные ресурсы

1.2. Доля методических

пособий, других

материалов,

соответствующих

уставным целям и

задачам (%)

50 60 70 80

1.3. Ресурсы на магнитных

носителях,

магнитооптические

носители, CD/ DVD

носители, флеш/ память

+ + + +

1.4 Интернет-ресурсы + + + +

2. Материально-

технические ресурсы

2.1 Наличие помещений,

оснащенных в

соответствии с

направленностью

реализуемых

образовательных

программ

+ + + +

2.2 Приборы для

демонстрационных

опытов (приборы общего

назначения, приборы по

механике, молекулярной

физике, электричеству,

оптике и квантовой

физике)

+ + + +

2.3 Приборы для

лабораторных работ и

опытов. Модели

+ + + +

2.4 Принадлежности для

опытов (лабораторные

принадлежности,

материалы, посуда,

инструменты)

+ + + +

2012 г. · г. Москва 2012 г. СОДЕРЖАНИЕ 1 ПАСПОРТ...

Documents