Программа курса физики для 11-го класса

Пояснительная записка

Первая часть курса фактически принадлежит 10-му классу и находится здесь лишь по формальной причине (нехватка времени в предыдущем году обучения). С другой стороны, это заставляет учащихся естественным образом повторить основные понятия электродинамики, после чего появляется возможность установить взаимосвязь между электрическим и магнитным полями в общем случае. Центральный момент — опыты и теория Фарадея-Максвелла. Завершающая часть электродинамики — электромагнитные волны — отнесена в раздел «Волны» по причинам, которые указаны ниже.

Следующие три раздела — Колебания, Волны, Оптика — завершают представление классической физики. В соответствии с идеологией, развитой в свое время академиком Л.И. Мандельштамом, теория колебаний представлена здесь как единый подход к описанию разнородных физических явлений. Это отличается от принятого ныне изучения отдельно механических колебаний (в разделе Механика), отдельно электрических колебаний (в электродинамике) и т.д. Преимущество избранного нами подхода неоднократно обсуждалось. Основной тезис — одинаковые уравнения имеют одинаковые решения — позволяет школьникам не просто выяснить закономерности колебаний маятника, заряда в контуре или какого-то другого набора объектов, но выработать «колебательный язык и колебательное мышление» (Л. И. Мандельштам).

Это же касается и раздела Волны. Традиционный взгляд на этот раздел школьного курса состоит в том, что волновое движение — некоторый частный вид движения материи (по сравнению с движением частицы). Такие представления могли бы быть оправданы, возможно, вплоть до 20-х годов нашего века. Поэтому центральные моменты раздела — это не разбор волн в струне или звука в газах, а опять-таки — привитие общего «волнового взгляда» на разнородные явления. Стоит отметить перенос ряда существенных моментов из параграфов об интерференции и дифракции в Оптику. Это связано с большей наглядностью световых волн по сравнению со всеми другими.

В Оптике основное внимание уделено волновой модели. В геометрической оптике центральное место занимает принцип Ферма.

Для знакомства со специальной теорией относительности выбран вариант- минимум. Преобразования Лоренца даются в готовом виде. Используются диаграммы событий и мировых линий. Центральные моменты — это: причины появления СТО, относительность пространственных и временных промежутков по отдельности и инвариантность пространственно-временного интервала, новый закон сложения скоростей, связь массы и энергии. Масса рассматривается как инвариантная величина. Подчеркивается, что всякой массе соответствует энергия, но не всякой энергии соответствует какая-то масса. В ряде случаев делаются простые оценки.

В раздел «Квантовая физика» входят элементы атомной физики и квантовой механики.

Модель Резерфорда — Бора имеет вспомогательно-историческое значение. В центре внимания — две идеи: квантования и корпускулярно-волнового дуализма. Основной закон — соотношение неопределенностей. Вопросы, связанные с уравнением Шредингера или матричной формулировкой Гейзенберга не затрагиваются. Еще один момент, достойный внимания, — роль измерительного акта.

«Ядерная физика» представлена максимально скромно, ввиду опасности вульгаризации вопроса. Полезны некоторые простые оценки.

Необходимое завершение курса — разговор про элементарные частицы и космологическую картину мира. Для заинтересованных учащихся имеется ряд книг, в которых достаточно подробно и вполне научно рассмотрены эти вопросы (см. список литературы).

Тематический план

Электродинамика, окончание (22 часа)

  1. Полупроводники — 6 часов;
  2. Электромагнитные явления — 12 часов;
  3. Магнитное поле в веществе — 4 часа.

Колебания и волны (44 часа)

  1. Колебания — 20 часов;
  2. Волны — 24 часа.

Оптика (36 часов)

  1. Геометрическая оптика — 12 часов;
  2. Волновая оптика — 18 часов;
  3. Взаимодействие света с веществом — 4 часа.

Неклассическая физика (42 часа)

  1. Специальная теория относительности — 8 часов;
  2. Введение в квантовую физику — 24 часа;
  3. Ядро и элементарные частицы — 10 часов;
  4. Космологическая картина мира — 2 часа.

Повторение курса и подготовка к экзаменам (14 часов)

Всего: 160 часов

Литература

  1. Бутиков, Кондратьев. Физика. Том 2, 3.
  2. Яворский и Пинский, Основы физики, том 2.
  3. Г.И. Мякишев, А.З. Синяков. Физика. 11 класс (для углубленного изучения физики).
  4. Савельев, Курс общей физики, том 2 и 3
  5. Бутиков и др. Пособие для поступающих в вуз.
  6. Кл.Суорц, Необыкновенная физика обыкновенных явлений, том 2.
  7. Фейнмановские Лекции по физике, вып. 4, 5, 6, 7
  8. Астахов и Широков, Курс физики, том 2 и 3
  9. Сивухин, Общий курс физики, том 3, 4 и 5.1
  10. Пинский. Учебник физики для 11 класса
  11. Гольдин и Новикова. Введение в атомную физику.
  12. Левинштейн и Симин. Барьеры
  13. Тарасов и др. Беседы о преломлении света.
  14. Тарасов. Оптика, рожденная лазером
  15. Копылов. Всего лишь кинематика.
  16. Окунь. α, β, γ, ..., Z.
  17. Воробьев. Теория относительности в задачах.
  18. А.Д. Чернин. Физика времени.
  19. Задачи по физике, под ред. Савченко.
  20. Гольдфарб. Задачи по физике
  21. Меледин. Задачи по физике
  22. Баканина, Козел и др. Задачи по физике.
  23. Бендриков и др. Задачи по физике.
  24. Яворский и Селезнев. Справочное руководство по физике.
  25. Журнал «Квант»
  26. Соросовский образовательный журнал.
  27. Журнал The Physics Teacher.

Содержание программы. Электродинамика (окончание)

  • Полупроводники (6)

    Металлы, диэлектрики, полупроводники: экспериментальные различия- величина проводимости, ее зависимость от температуры, от концентрации примеси, качественная зависимость концентрации электронов проводимости от температуры. Энергия, необходимая для создания свободного электрона в кристалле (Еg).Роль температуры. Примеры типичных полупроводников. Собственные полупроводники. Определение. Концентрация носителей. Свободный электрон и электрон проводимости. Электроны и дырки. Генерация и рекомбинация. Зависимость числа носителей от Еg и температуры. Примесные полупроводники. Определение. Оценка концентрации атомов примеси. Энергия ионизации донора Еd. Формула зависимости носителей от Т и Еd. Пример донора. Основные и неосновные носители.Акцептор. Процессы в полупроводниках на языке энергетических диаграмм. Выпрямляющее действие контакта двух полупроводников. Реализация р-n перехода на практике. Полупроводниковый триод (транзистор).

  • Электромагнитные явления (12)

    Явление электромагнитной индукции. Идея поисков. Опыты Фарадея. Теоретическое осмысление. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Единицы. Правило Ленца. Трактовка Максвелла. Закон в виде уравнения Максвелла. Явление магнитоэлектрической индукции. Применение: электромоторы и генераторы. Явление самоиндукции. Индуктивность. Индуктивность соленоида. Энергия магнитного поля проводника с током. Объемная плотность энергии. Закон Ома при наличии эффекта самоиндукции. Проводники в магнитном поле. Контур переменной площади в магнитном поле. Падающая рамка.

  • Магнитное поле в веществе (4)

    Магнетики. Классификация.Макроскопическая теория. Магнитная восприимчивость. Лабораторные магниты. Влияние магнитов на биохимические процессы. Микроскопическое описание диамагнитного эффекта. Оценка диамагнетизма атома Не на основе классических представлений. Парамагнетизм. Неудовлетворительность классического описания. Ферромагнетизм. Молекулярные токи. Домены. Квантовый механизм. Магнитный гистерезис.

    Содержание программы. Колебания

  • Общие сведения

    Диапазон частот в природе. Одинаковая математика — причина единого подхода. Иллюстрация: уравнение колебаний пружинного маятника, колебания в LC-контуре, математический маятник.

  • Гармонические колебания

    Их роль. Кинематика колебаний. Энергия колебаний. Сведения из теории дифференциальных уравнений. Роль начальных условий. Критерии гармоничности. Малые колебания. Сведения о рядах. Сложение колебаний.

  • Свободные колебания

    Учет затухания. Вынужденные колебания. Векторные диаграммы «амплитуда-фаза». Резонанс. Метод комплексных величин, границы его применимости. Получение решений дифференциального уравнения из физических соображений. (Параметрический резонанс).

  • Автоколебания

    (Фазовый портрет колебаний).

  • Переменный электрический ток

    Получение, измерение, эффективные значения. Фазовые соотношения в цепи переменного тока, реактивные сопротивления, импеданс. Резонанс токов и резонанс напряжений.. Цепи с нелинейными элементами.

    Содержание программы. Волны

  • Общие сведения

    Колебания связанных осцилляторов. Волны в природе. Распространение фазы колебаний в волне. Классификация волн по их природе. Фронт волны. Волновая поверхность. Фазовая и групповая скорости. Поперечная и продольная волна. Поляризация волн. Уравнение плоской монохроматической волны. Сферическая волна. Энергия волн. Закон дисперсии. (Волновое уравнение. Понятие о частной производной.)

  • Эффекты сложения волн

    Интерференция волн (от двух источников). Когерентность во времени. Стоячие волны. Отражение и прохождение. Условие на границе сред. Волновое сопротивление (импеданс).

    Дифракция волн. Определение. Принцип Гюйгенса-Френеля. Волны от движущегося источника. Ударная волна.

  • Волны в упругих средах

    Качественная картина. (Вывод волнового уравнения.) Скорость волны в газе. Элементы акустики. Эффект Доплера.

  • Электромагнитные волны

    Следствия из уравнений Максвелла. Скорость распространения. Поперечность. Опыты Герца. Элементы радиотехники. Принципы радиосвязи. Модуляция и демодуляция. Выпрямители. Антенна.

  • (Волны на поверхности воды)

    Содержание программы. Оптика

  • Введение (2)

    Предмет изучения и масштаб явлений. История вопроса о природе света. Методы приближенного описания света: геометрический, волновой, фотонный (квантовый).

  • Геометрическая оптика (12)

    Значение данного метода описания и смысл названия. Основные задачи.

    Основные законы: прямолинейность распространения света, законы отражения и преломления, обратимость хода световых лучей. Вывод законов из принципа Ферма. Примеры использования принципа Ферма в других задачах. (Вариционные принципы в физике.) Явление полного отражения.

    Элементарные оптические системы: призмы, линзы, зеркала. Формула тонкой линзы. Формула неглубокого сферического зеркала. Плоское зеркало. Построение изображений. Фотометрические понятия.

  • Волновая оптика (18)

    Интерференция света. Требования к источнику света. Расположение Юнга. Интерферометр Майкельсона. Интерференция в тонких пленках. Интерференция от двух точечных источников. Просветление оптики.

    Дифракция света. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Дифракция на прямоугольной щели. Использование векторных диаграмм для расчета дифракции. Дифракция на N щелях. Дифракционная решетка. Заметность дифракционной картины.

    Геометрическая оптика как предельный случай волновой.

    Оптические приборы: глаз, очки, фотоаппарат, микроскоп, телескоп. Влияние волновых свойств света на работу приборов.

  • Взаимодействие света с веществом (4)

    Классический механизм взаимодействия. Отражение и преломление света. Рассеяние. Поляризация света.

    Содержание программы. Неклассическая физика

  • Специальная теория относительности (8)

    Предпосылки появления: принцип относительности и уравнения Максвелла, принцип относительности Галилея, рольначальных условий, преобразования Галилея; классический закон сложения скоростей и результат опыта Майкельсона—Морли.

    Постулаты СТО. Качественные следствия из постулатов: относительность одновременности, относительность длины отрезка. Пространственно-временные диаграммы. Событие. Мировая линия. Преобразования Лоренца. (Вывод преобразований Лоренца из постулатов.) Кинематические следствия: релятивистский закон сложения скоростей, сокращение длины отрезка, замедление времени.

    Релятивистская динамика: релятивистский импульс, инвариантность массы, второй закон Ньютона в релятивистской форме, полная энергия тела, энергия покоя, энергия связи, энергия и масса.

    Экспериментальные подтверждения СТО.

  • Введение в квантовую физику (24)

    1. Квантовая теория и ее место в физике. Основные идеи: идея квантования, идея корпускулярно-волнового дуализма.

    2. Предпосылки появления теории: неустойчивость атома в классической электродинамике, наблюдаемые спектральные закономерности в излучении атома, закономерности фотоэффекта, «ультрафиолетовая катастрофа», (затруднения классической теории теплоемкостей).

    3. Идея квантования. Гипотеза Планка как попытка снять у.-ф. катастрофу. Фотонная гипотеза Эйнштейна и объяснение закономерностей фотоэффекта. Эффект Комптона — подтверждение фотонной гипотезы. Строение атома. Планетарная модель атома по Резерфорду. Спектральные закономерности: формулы Бальмера и Ритца. Модель атома по Бору: постулаты Бора, расчет спектра атома водорода, вычисление постоянной Ридберга, опыты Франка и Герца, противоречия боровской модели.

    4. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры.

    5. Идея корпускулярно-волнового дуализма. Гипотеза де Бройля. Опыты Девиссона и Джермера. Опыт Бете. Постулаты Бора и волновые свойства электрона.

    6. Соотношение неопределенностей. Вывод соотношения неопределенностей из дифракции микрообъекта. Смысл соотношений. Примеры работы соотношений: размытие электронных уровней в атоме, снятие противоречий квантовых переходов, электрон на дне потенциальной ямы, соотношение неопределенностей и волновын свойства микрообъекта, оценка энергии основного состояния атома водорода, почему электрон не падает на ядро, траектории микрообъекта.

    7. Отказ от представлений классической физики. Роль измерительного акта и дуализм волны-частицы. Тождественность микрочастиц. Бозоны и фермионы. Вероятностная трактовка квантовой теории.

    8. Границы применимости квантовой теории. Классическое описание или квантовое? Когда существенны волновые свойства микрочастиц.

    9. (Некоторые обощения. Принцип причинности. Принцип дополнительности.)

  • ЯДРО и элементарные частицы (10)

    Предмет изучения и масштабы явлений. Общие характеристики атомного ядра. Изотопы. Энергия связи. Идеи получения ядерной энергии. Квантование энергии ядер. (Эффект Мессбауэра.) Ядерные силы. Обменное взаимодействие. Радиоактивность. Виды излучений. Правила смещения. Закон радиоактивного распада. Механизм α-распада. Туннельный эффект. Особенности β-распада. γ-излучение. (Эффект Мессбауэра.) Искусственная радиоактивность.

    Элементарные частицы.Классификация. Резонансы. Фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы. Роль законов сохранения. Кварковая модель адронов. (Хромодинамика.) Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

  • Космологическая картина мира (2)

     

    Составитель: М. Г. Иванов (1992, 1995, 2007).

    •