Fizyka Plik

KARTA PRZEDMIOTU
(pieczęć wydziału)
1. Nazwa przedmiotu: FIZYKA
2. Kod przedmiotu:
3. Karta przedmiotu ważna od roku akademickiego: 2012/13
4. Forma kształcenia: studia pierwszego stopnia
5. Forma studiów: studia stacjonarne
6. Kierunek studiów: AUTOMATYKA I ROBOTYKA; AEiI
7. Profil studiów: ogólnoakademicki
8. Specjalność:
9. Semestr: 1, 2
10. Jednostka prowadząca przedmiot:
Instytut Fizyki, Centrum Naukowo-Dydaktyczne Politechniki Śląskiej
11. Prowadzący przedmiot: prof. dr hab. inż. Jerzy Bodzenta
12. Przynależność do grupy przedmiotów: przedmioty wspólne
13. Status przedmiotu: obowiązkowy
14. Język prowadzenia zajęć: polski
15. Przedmioty wprowadzające oraz wymagania wstępne: brak
16. Cel przedmiotu:
Przekazanie wiedzy o podstawowych zjawiskach i prawach fizyki, która może być przydatna do zrozumienia
przedmiotów specjalistycznych. Wykształcenie umiejętności poprawnej analizy konkretnych problemów,
wyróżniania zjawisk fizycznych zachodzących w złożonych układach i poprawnego ich opisu. Zwrócenie uwagi na
zakres stosowalności pojęć wyidealizowanych i przybliżeń. Wykształcenie umiejętności poprawnego wykonywania
pomiarów i sporządzania sprawozdań badań, z uwzględnieniem podstawowych zasad analizy niepewności
pomiarowych.
17. Efekty kształcenia:
Nr
Opis efektu kształcenia
W1
Student ma podstawową wiedzę w zakresie pojęć fizyki
klasycznej, relatywistycznej i kwantowej oraz ogólnych
praw fizyki.
Student ma uporządkowaną wiedzę z zakresu mechaniki
punktu materialnego i bryły sztywnej, ruchu drgającego i
falowego, termodynamiki i fizyki statystycznej,
elektromagnetyzmu, optyki, podstaw mechaniki kwantowej.
Student ma podstawową wiedzę z zakresu mechaniki
relatywistycznej oraz fizyki ciała stałego.
Student ma podstawową wiedzę na temat zasad
przeprowadzania i opracowania wyników pomiarów
fizycznych, rodzajów niepewności pomiarowych, sposobów
ich wyznaczania i wyrażania.
Student potrafi analizować i rozwiązywać proste problemy
fizyczne w oparciu o poznane prawa i metody fizyki, w
szczególności:
- rozumie podstawowe prawa fizyki i potrafi wytłumaczyć na
ich podstawie przebieg zjawisk fizycznych,
- potrafi wykorzystać poznane prawa i metody fizyki oraz
odpowiednie narzędzia matematyczne do rozwiązywania
typowych zadań lub problemów.
Student potrafi przeprowadzać proste pomiary fizyczne oraz
opracować i przedstawić w czytelny sposób ich wyniki, w
szczególności:
- zestawić prosty układ pomiarowy z wykorzystaniem
standardowych urządzeń pomiarowych, zgodnie z zadanym
W2
W3
W4
U1
U2
Forma
Odniesienie do
Metoda sprawdzenia efektu
prowadzenia
efektów dla
kształcenia
zajęć
kierunku studiów
EU
WT,
K_W02
demonstracje
EU
WT, C
K_W02/3
K_W03/3
K_W04/2
EU
WT, C
K_W02/3
PS
WT, L
K_W07/2
SP, PS
C, L
K_U08/3
CL, PS
L
K_U07/1
K_U14/2
schematem i specyfikacją,
- wyznaczyć wyniki i niepewności pomiarów bezpośrednich i
pośrednich oraz zapisać je w odpowiedniej formie,
- dokonać oceny wiarygodności uzyskanych wyników
pomiarów oraz ich interpretacji na podstawie posiadanej
wiedzy fizycznej.
K1 Student potrafi pracować indywidualnie i w zespole przy
rozwiązywaniu problemów i wykonywaniu pomiarów.
CL, PS
C, L
K_K03/3
K_K04/1
18. Formy zajęć dydaktycznych i ich wymiar (liczba godzin)
Wykład
Ćwiczenia
Laboratorium
60 h
45 h
15 h
Projekt
Seminarium
19. Treści kształcenia:
Wykład
Kinematyka punktu materialnego - opis ruchu w prostokątnym układzie odniesienia i układzie odniesienia związanym z torem.
Zasada niezależności ruchów. Kinematyka bryły sztywnej. Zasady dynamiki Newtona. Inercjalne i nieinercjalne układy
odniesienia. Siły bezwładności. Obracający się układ odniesienia. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej. Zjawisko
żyroskopowe. Precesja. Siły tarcia.
Podstawy szczególnej teorii względności. Transformacja Lorentza. Wnioski z transformacji Lorentza - składanie prędkości,
skrócenie Lorentza, czas trwania zdarzeń. Pęd i masa w mechanice relatywistycznej. Związek masy i energii.
Pola - ich klasyfikacja. Potencjał pola. Pola centralne. Siły zachowawcze. Praca sił zachowawczych. Energia kinetyczna i
potencjalna. Zasada zachowania energii mechanicznej. Pole grawitacyjne i elektrostatyczne. Wielkości je charakteryzujące. Prawo
Gaussa.
Drgania harmoniczne. Energia w ruchu drgającym. Wahadło matematyczne. Drgania tłumione. Logarytmiczny dekrement
tłumienia. Dobroć. Drgania wymuszone. Rezonans. Drgania w obwodzie RLC.
Pojęcie fali. Klasyfikacja fal. Równanie fali płaskiej. Prędkość fazowa. Równanie falowe. Prędkość fal sprężystych a własności
ośrodka. Energia fali sprężystej. Natężenie fali. Równanie fali kulistej. Fale akustyczne. Poziom głośności. Zjawisko Dopplera.
Ruchy cieplne molekuł. Ciśnienie gazu na ściankę. Równanie stanu gazu doskonałego. Zasada ekwipartycji energii. Rozkład
prędkości Maxwella. Wzór barometryczny. Rozkład Boltzmanna. Rozkład Maxwella-Boltzmanna.
Zasady termodynamiki. Entropia. Potencjały termodynamiczne. Cykl Carnota. Zjawiska transportu - przewodnictwo cieplne,
dyfuzja, lepkość. Średnia droga swobodna a współczynniki w równaniach transportu.
Pole elektrostatyczne w próżni i dielektrykach. Polaryzacja dielektryka - jej rodzaje. Wektor indukcji elektrycznej. Objętościowe i
powierzchniowe ładunki związane. Ferroelektryki. Energia pola elektrycznego. Zjawisko piezoelektryczne. Przewodniki w polu
elektrycznym. Pojemność elektryczna. Kondensatory. Pole magnetyczne. Prawo Biota-Savarta. Siła Lorentza. Prawo Ampere'a.
Pole magnetyczne w materii. Dia-, para- i ferromagnetyki. Energia pola magnetycznego. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej.
Prądy wirowe. Samoindukcja i indukcja wzajemna. Indukcyjność. Prąd przesunięcia. Równania Maxwella dla pola
elektromagnetycznego.
Fale elektromagnetyczne. Płaska fala elektromagnetyczna. Energia fal elektromagnetycznych. Wektor Poyntinga. Oddziaływanie
fal elektromagnetycznych z materią. Dyspersja. Prędkość grupowa. Modulacja fal.
Fale świetlne. Fala świetlna na granicy dwóch ośrodków. Optyka geometryczna. Prawa optyki geometrycznej. Zasada Fermata.
Interferencja światła. Dyfrakcja światła. Dyfrakcja na szczelinie. Siatka dyfrakcyjna. Fale stojące. Polaryzacja światła. Prawo
Malusa.
Promieniowanie cieplne. Zdolność emisyjna. Zdolność absorpcyjna. Prawo Kirchhoffa. Prawo Stefana-Boltzmanna. Prawo Wiena.
Równowagowa gęstość energii promieniowania a zdolność emisyjna. Wzór Rayleigha-Jeansa. Wzór Plancka. Korpuskularna
natura światła. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne. Zjawisko Comptona.
Hipoteza de Broglie'a. Zasada nieoznaczoności Heisenberga. Równanie Schrödingera. Sens fizyczny funkcji falowej. Cząstka w
studni potencjału. Kwantowanie energii. Kwantowanie momentu pędu. Oscylator harmoniczny. Zjawisko tunelowe.
Model atomu Thomsona i model Rutherforda. Postulaty Bohra. Teoria Bohra atomów wodoropodobnych. Opis atomu wodoru w
mechanice kwantowej. Główna i azymutalna liczba kwantowa. Atomy metali alkalicznych. Spin elektronu. Całkowity moment
mechaniczny i magnetyczny atomu. Czynnik Landego. Zjawisko Zeemana. Magnetyczna liczba kwantowa. Zasada Pauliego.
Promieniowanie wymuszone. Inwersja obsadzeń. Zasada działania lasera.
Siły międzyatomowe. Wiązania w ciałach stałych. Ciała krystaliczne i bezpostaciowe. Drgania sieci krystalicznej. Przybliżenie
harmoniczne. Fonony. Rozkład Bosego-Einsteina. Anharmonizm drgań sieci krystalicznej. Rozszerzalność cieplna ciał stałych.
Pasma energetyczne w kryształach. Struktura pasmowa a własności elektryczne ciał stałych.
Dynamika elektronów w sieci krystalicznej. Masa efektywna. Przybliżenie elektronów swobodnych. Gaz elektronowy. Funkcja
gęstości stanów. Gaz elektronowy w temperaturze 0 K. Poziom Fermiego w 0K. Rozkład Fermiego-Diraca. Zależność poziomu
Fermiego od temperatury. Przewodnictwo elektryczne metali. Ruchliwość elektronów. Przewodnictwo cieplne metali. Prawo
Wiedemanna-Franza. Nadprzewodnictwo.
Półprzewodniki - podstawowe własności. Pojęcie dziury. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników samoistnych.
Przewodnictwo elektryczne półprzewodników domieszkowych. Procesy generacji i rekombinacji nośników ładunku w
półprzewodnikach.
Praca wyjścia. Kontaktowa różnica potencjałów. Zjawiska termoelektryczne. Złącze p-n. Dioda. Tranzystor bipolarny. Tranzystor
unipolarny. Fotoogniwo.
Ćwiczenia
W ramach ćwiczeń rachunkowych rozwiązywane są zadania ilustrujące treści omawiane w trakcie wykładów.
Laboratorium
1. Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego metodą wahadła matematycznego.
2. Analiza drgań harmonicznych struny.
3. Pomiar prędkości dźwięku za pomocą puzonu.
4. Wyznaczanie ładunku właściwego elektronu metodą poprzecznego pola magnetycznego (lampa Thomsona).
5. Badanie rezonansu w szeregowym obwodzie LC.
6. Badanie zjawiska Halla.
7. Wyznaczanie szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika metodą termiczną (termistor).
8. Wyznaczanie charakterystyk fotodiody.
9. Wyznaczanie parametrów złącza p-n.
10. Wyznaczanie współczynnika załamania światła w powietrzu metodą interferometru Rayleigha.
11. Wyznaczanie stałej siatki dyfrakcyjnej.
12. Wyznaczanie energii promieniowania gamma metodą absorpcyjną.
20. Egzamin: tak
21. Literatura podstawowa:
1. Jerzy Bodzenta, Wykłady z fizyki, WPKJS, Gliwice 2009.
22. Literatura uzupełniająca:
1. Igor Sawieljew, Kurs fizyki cz. I. Mechanika. Fizyka cząsteczkowa, PWN, Warszawa 1987.
2. Igor Sawieljew, Kurs fizyki cz. II. Elektryczność i magnetyzm. Fale. Optyka, PWN, Warszawa 1989.
3. Igor Sawieljew, Kurs fizyki cz. III. Optyka kwantowa. Fizyka atomowa, ciała stałego, jądra atomowego i cząstek
elementarnych, PWN, Warszawa 1989.
4. Marta Skorko, Fizyka, PWN, Warszawa 1978.
23. Nakład pracy studenta potrzebny do osiągnięcia efektów kształcenia
Lp.
Liczba godzin
kontaktowych / pracy studenta
Forma zajęć
1.
Wykład
60 / 35 przygotowanie się do zajęć (35 h),
2.
Ćwiczenia
45 / 60 – przygotowanie się do zajęć (15 h), samodzielne rozwiązywanie zadań (45 h)
3.
Laboratorium
15 / 60 – przygotowanie się do zajęć (15 h), przygotowanie sprawozdań (45 h)
4.
Projekt
/
5.
Seminarium
/
6.
Inne
40 / 45 – konsultacje z prowadzącymi (20 h), obrona sprawozdań (20 h), przygotowanie się do egzaminu (45
h)
Suma godzin:
160 / 200
360
24. Suma wszystkich godzin:
25. Liczba punktów ECTS:
12
26. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach z bezpośrednim udziałem
nauczyciela akademickiego:
5
27. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach o charakterze praktycznym
(laboratoria, projekty):
6
28. Uwagi:
Zatwierdzono:
………………………….….
(data i podpis prowadzącego)
…………………………………………………....
(data i podpis Dyrektora Instytutu/Kierownika Katedry/
Dyrektora Kolegium Języków Obcych/Kierownika lub
Dyrektora Jednostki Międzywydziałowej)