ПӘНІ БОЙЫНША ОҚЫТУ БАҒДАРЛАМАСЫ (Syllabus)

Transcript

1 Пән бойынша оқыту бағдарламасының (Syllabus) титулдық парағы Нысан ПМУ ҰС Н /37 Қазақстан Республикасының ғылым және білім министрлігі С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті Физика, математика және ақпараттық технологиялар факультеті Физика және аспап жасау кафедрасы «Физика» мамандығының студенттеріне арналған «Термодинамика және статистикалық физика» ПӘНІ БОЙЫНША ОҚЫТУ БАҒДАРЛАМАСЫ (Syllabus) Павлодар

2 2 Пәні бойынша оқыту бағдарламасын (Syllabus) бекіту парағы Нысан ПМУ ҰС Н /38 БЕКІТЕМІН ФМжАТ факультенің деканы Нурбекова Ж.К. 20 ж. Құрастырушы: доцент, ф.-м.ғ.к. Досанов Т.С. Физика және аспап жасау кафедрасы «Физика» мамандығының күндізгі жалпы орта білім негізінде оқу нысанының студенттеріне арналған «Термодинамика және статистикалық физика» пәні бойынша оқыту бағдарламасы (Syllabus) Бағдарлама 20 ж. бекітілген жұмыс оқу бағдарламасының негізінде әзірленген. 20 ж. кафедра отырысында ұсынылған Хаттама Кафедра меңгерушісі Биболов Ш.К. 20 ж. Физика, математика және ақпараттық технологиялар факультеттің оқуәдістемелік кеңесімен мақұлданған 20 ж. Хаттама ОӘК төрағасы Муканова Ж.Г.

3 3 1 Оқытушылар туралы мәліметтер және байланысу ақпараттары Досанов Талғат Сапарғалиевич ф.-м.ғ.к., физика және аспап жасау кафедрасының доценті. Қабылдау сағаттары: А-313, сабақ кестесі бойынша консультациялар. 2 Пән туралы мәліметтер Пәннің ұзақтылығы 15 апта, 6 семестрде оқытылады. Пәннің жалпы көлемі 135 сағат, олардың ішінде 45 сағат аудиториялық, 90 сағат студенттердің өздік жұмысына (СӨЖ) арналған. Аудиториялық сағаттардың үлесуі календарлық жоспарда көрсетілген. 3 Пәннің еңбек сыйымдылығы Семестр Кредиттер саны Барлығы Аудиториялық сабақтар түрі бойынша сағаттар саны дәріс тәжірибелік зертханалық студиялық жеке Студенттің өздік жұмысының сағаттары барлығы СӨЖМ Бақылау түрі Р1, Р2 емтихан 4 Пәннің мақсаты мен міндеттері Мақсаты: Студенттерге макроскопиялык жүйелердің негізгі термодинамикалык және статистикалық зандылықтары туралы терең және мығым білім берумен бірге ол білімдерді қолданбалы мәселелерге пайдалануды үйрету. Қойылған мәселелерді шешу кезінде термодинамикалық және статистикалық теорияларға тон түрлі әдістерге айрықша көңіл болу. Міндеттері: Оқытуда қойылатын мәселелер: Осы пәнді оқып үйренген студент термодинамика мен статистикалық физиканың негізгі үғымдары мен негізгі зандарын білуі тиіс, термодинамика мен статистикалык физикада шешілетін мәселелерді қоя біліп, шешу әдістерін үйренуі керек, әрбір жеке физикалық жүйелер параметрлерінің гаусстык және халыкаралық бірлік жүйесі бойыпша алынған сан мәндерін таба білуі керек. 5 Студенттердің біліміне, шеберлігіне және дағдыларына қойылатын талаптар «Кванттық механика» курсын терең және берік меңгеру үшін келесі пәндерінен білімдері қажет: «Физиқа жалпы курсы», «Классикалық механика», «Электродинамика», «Жоғары математика». 6 Пререквизиттер Осы пәнді оқып үйренуге қажет стандартты пәндер тізімі: термодинамикамен

4 4 статистикалық физика пәнін терең және дәйекті түрде оқып білу үшін теориялык физиканың барлык басқа салаларын: теориялык механиканы, электродинамиканы және кванттық механиканы білу қажет. Сонымен бірге ықтималдық теориясы, дифференциалдық теңдеулер теориясы мен математикалық физика әдістерінің негіздерін білуі кажет. 7 Постреквизиттер «Физикалық процестерді модельдеу», «Конденсацияланған күйнің физикасы»

5 5 8 Тақырыптық жоспар Тақырыптың атауы Сағаттар саны Дәріс Тәж. СӨЖ Статистикалық жүйелер зерттеу объектілері ретінде. 2 Жабық және ашық жүйелер термодинамикасы. 3 Әлсіз ерітінділер теориясы Классикалық статистикалық механика Флуктуациялар және олардың сандық сипаттамалары туралы. 6 Идеал емес жүйелер теориясы Барлығы Пәннің қысқаша сипаттамасы «Термодинамика және статистикалық физика» курсы болашақ физика маманын дайындауда жетекші орындардың бірін алады және онсыз мамандырды дайындау мүмкін болмайтын іргелі міндеттерді атқарады. 10 Курстың компоненттері 10.1 Дәрістік сабақтардың мазмұны Тақырып 1. Статистикалық жүйелер зерттеу объектілері ретінде. Гиббстің статистикалық ансамблі. Үлестіру функциясы. Лиувилль теңдеуі. Статистикалық. орташалау. Гиббстің микроканондық үлестіру туралы постулаты. Гиббстің канондық үлестіруі. Абсолют температура (термодинамиканың нөлдік бастамасы). Кванттық статистикадағы микроканондық үлестіру. Статистикалық салмак. Макроскоптық жүйелердің кванттық күйлерінің квазиүздіксіздігі. Кванттық суммаларды фазалык колем бойынша алынған интегралдарға ауыстыру. Гиббстің канондык және үлкен канондык үлестіруі. Гиббстің үлкен канондық үлестіруінен тепе-теңдік процестер үшін термодинамиканың 1-ші және 2-ші бастамаларын шығару. Ашык және жабық жүйелер үшін термодинамиканын негізгі теңдеулері. Больцман принципі. Оны Гиббстің кванттық канондық үлестіруінен шығару. Термодинамиканың 3-ші бастамасы. Тақырып 2. Жабық және ашық жүйелер термодинамикасы. Термодинамикалық потенциалдар одісі. Максвелл қатыстары. Якобиандар әдісі. Жылусыймдылықтың термодинамикалық теориясы. Джоуль-Томсон және Джоуль-Гей-Люссак процестері. Суытудың магниттік әдісі. Тепе-теңдік соулелердік термодинамикасы. Термодинамиканын 3-ші бастамасының

6 6 Планктык тұжырымдамасы. Термодинамиканың 3-ші бастамасынан туатын салдар. Энтропияның арту заңы. Тепе-теңсіздік процестер үшін термодинамиканың 2-ші бастамасы. Клаузиус теңсіздігі. Ең аз жүмыс принципі. Термодинамикалық жүйелердің түрлі сыртқы жағдайлар кезіндегі тепе-теңдікте болу шарттары. Термодинамикалық жүйелердің орныктылығы шарттары. Ашық жүйелер термодинамикасы. Ω-потенциал. Химиялық потенциал. Термодинамикалық потенциалдардың аддитивтігі. Біртекті функциялар үшін Эйлер теоремасы. Ω-потенциал үшін тендеулер. Гиббс-Дюгем тендеуі. Ашык термодинамикалық жүйелер тепе-теңдігінің шарттары. Гиббстің фаза ережелері. 1-ші текті фазалык ауысулар және Клайперон-Клаузиус тендеуі. Тақырып 3. Әлсіз ерітінділер теориясы. Ертінділердің өлсіздігі туралы үғым. Әлсіз ертіндінің Гиббстік потенциалы. Еріткіш пен еріген заттардың химиялык потенциалдары. Осмостық қысым. Ван-Гофф заңы. Әлсіз ерітіндінің қатты түрге өту және қайнау температураларының озгерісі. Генри заңы. Рауль заңы. Үлестіру заңы. Тақырып 4. Классикалық статистикалық механика. Сиретілген газдар үшін күй тендеуі. Ван-дер-Ваальс тендеуі. Максвелл ережесі. Тең үлестіру және вириал теоремалары. Оларды идеал газдар мен қатты денелердін жылусиымдылык теориясында пайдалану. Идеал газдар үшін Максвелл-Больцман үлестіруі. Осы статистиканың дүрыстығының шарты. Осы жуықтаудағы статистикалық косындыны есептеу. Максвелл-Больцман статистикасын біратомды және екіатомды газдарға қолдану. Ферми-Дирак және Бозе-Эйнштейн статистикасы. Аздап айныған Ферми және Бозе-газ. Бозе-Эйнштейн статистикасын тепе-тендіктегі электромагнш соуле теориясына қолдану. Соулені фотондардың идеал газы түрінді қарастыру. Бозе-Эйнштейн статистикасын қатты денелерге қолдану. Қатты денедегі жылулық қозғалысты фонондык идеал газ түрінде қарастыру. Қатты денелер жылусиымдылығының Эйнштейндік және Дебайлық теориялары Ферми-Дирак статистикасын айныған электрондық газ үшін қолдану (металлдардағы электрондар). Металлдардағы электрондық газ нолдік температурада. Фермидің шекаралык энергиясы. Металлдардағы электрондық газ абсолют нолге жакын температураларда. Тақырып 5. Флуктуациялар және олардың сандық сипаттамалары туралы. Канондык үлестірудегі энергия флуктуациясы. Тепе-теңдіктегі сәулелер энергиясыныц флуктуациясы. Гиббстің үлкен канондык үлестіруіндегі болшектер сандарыныц флуктуациясы. Жарықтың газ тәрізді ортадағы шашырау теориясы. Броундык козғалыс. Эйнштейн-Смолуховский формуласы. Фоккер-Планк теңдеуі және оның қарапайым қолданылулары. Кездейсоқ процесстердің спектралдык көріністері. Жылулық шулар. Жүйелердің тепе-теңдігі жөне орнықтылығы шарттары. Фазалық ауысулар. Сыртқы өрістегі және гетерогенді жүйелердегі тепе-тендік шарттары. Гиббстің фазалар ережесі. I және II текті фазалық ауысулар. Кризистік күй.

7 7 Тақырып 6. Идеал емес жүйелер теориясы. Идеал емес біратомды газ. Корреляциялық функциялар. Боголюбов тендеулері тізбегі. Жүйенің жүпты корреляциялық функциясы және күй тендеуі. Олардың қатарға жіктелінуі. Кулондык осерлесуші жүйелер. Плазманың еркін энергиясы. Тепе-теңсіздік термодинамика негіздері. Ағындар мен термодинамикалық күштер. Сызықты заңдар. Онзагердің өзаралық қатынастары. Тепе-теңсіздік термодинамика теңдеулері. Айқыш эффектілер. Кинетикалық эффектілер. Тепе-теңсіздік үлестіру функциясы үшін жазылған тендеулер жөне Боголюбов бойынша уақыт масштабтары. Макроскопиялық қайтымдылык және макропроцесстердің қайтымсыздығы. Релаксациялык мүшесі бар кинетикалық теңдеу және оның колданылулары. Өзімен-өзі келісілген өріс жуықтауындағы кинетикалық теңдеу. Власовтың сызықтандырылған теңдеуі. Ландау бойынша плазмалық тербелістер мен өшулер. Больцманнын кинетикалық теңдеуі. Н-теорема. Максвеллдың локалды үлестіруі және гидродинамика теңдеулері. Тасымал коэффициенттері Тәжірибелік сабақтар тізімі және мазмұны Тақырыптың атауы Мазмұны Ықтималдықтар теориясының элементтері 2. Статистикалық физиканың негізгі ұғымдары және принциптері 3. Статистикалық термодинамиканың заңдары. 4. Термодинамикалық функциялар. 5. Газдар қасиеттерін зертеу үшін статистикалық физиканы қолдану. 6. Идеал газдардың кванттық статистикасы. 7. Флуктуациялар және броун қозғалысы. 8. Фазадардың тепе-теңдігі және фазалық ауысулар. Кездейсоқ физикалық шаманың мәндері үшін ықтималдықтардың үлесуі. Идеал газ молекулалардың жылдамдықтары бойынша үлесуі. Фазалық кеңістік. Кванттық жүйенің микрокүйлері. Лиувилль теоремасы. Термодинамика бастамалары. Күй теңдеулері. Термодинамикалық потенциалдар. Идеал және идеал емес біратомды газдар үшін статистикалық интеграл. Ферми және Бозе үлестірулері. Жылулық сәулелену. Флуктуациялар. Броун қозғалысы. Клапейрон-Клаузиус теңдеуі. Вандер-Ваальс теңдеуі.

8 Студенттердің өздік жұмысының мазмұны СӨЖ түрі СӨЖ түрі Есеп түрі Бақылау түрі 1 Дәріс сабақтарына Сабаққа дайындалу қатысу 2 Практикалық сабақтарға Жұмыс Сабаққа дайндалу, үй дәптері қатысу тапсырмаларын орындау 3 Аудиторлық сабақтар мазмұнына кірмеген материалды оқу 4 Бақылау шараларына дайындалу Конспект (және т.б.) Коллоквиум (және т.б.) МБ 1, МБ 2, коллоквиум (тестілеу және т.б.) Сағаттарда көлемі Барлығы Студенттер өз бетімен игеруге берілетін тақырыптардың тізімі Тақырыптың атауы 1. Статистикалық жүйелер зерттеу объектілері ретінде. 2. Жабық және ашық жүйелер термодинами касы. 3. Әлсіз ерітінділер теориясы. 4. Классикалық статистикалы Мазмұны Гиббстің үлкен канондық үлестіруінен тепетеңдік процестер үшін термодинамиканың 1-ші және 2-ші бастамаларын шығару. Ашык және жабық жүйелер үшін термодинамиканын негізгі теңдеулері. Больцман принципі. Оны Гиббстің кванттық канондық үлестіруінен шығару. Якобиандар әдісі. Жылусыймдылықтың термодинамикалық теориясы. Джоуль-Томсон және Джоуль-Гей-Люссак процестері. Суытудың магниттік әдісі. Тепе-теңдік соулелердік термодинамикасы. Термодинамиканын 3-ші бастамасының Планктык тұжырымдамасы. Термодинамиканың 3-ші бастамасынан туатын салдар. Осмостық қысым. Ван-Гофф заңы. Әлсіз ерітіндінің қатты түрге оту және қайнау температураларының озгерісі. Генри заңы. Рауль заңы. Үлестіру заңы. Соулені фотондардың идеал газы түрінді' карастыру. Бозе-Эйнштейн статистикасын қатты Ұсын. әдеб. [4,6] [4,6] [4,6] [4,6]

9 9 қ механика. 5. Флуктуациялар және олардың сандық сипаттамалар ы туралы. 6. Идеал емес жүйелер теориясы. денелерге қолдану. Қатім денедегі жылулық қозғалысты фонондык идеал газ түрінде қарастыру. Қатты денелер жылусиымдылығының Эйнштейндік және Дебайлық теориялары Ферми-Дирак статистикасын айныған электрондық газ үшін қолдану (металлдардағы электрондар). Металлдардағы электрондық газ нолдік температурада. Фермидің шекаралык энергиясы. Металлдардағы электрондық газ абсолют нолге жакын температураларда. Жүйелердің тепе-теңдігі жөне орнықтылығы шарттары. Фазалық ауысулар. Сыртқы өрістегі және гетерогенді жүйелердегі тепе-тендік шарттары. Гиббстің фазалар ережесі. I және II текті фазалық ауысулар. Кризистік күй. Кинетикалық эффектілер. Тепе-теңсіздік үлестіру функциясы үшін жазылған тендеулер жөне Боголюбов бойынша уақыт масштабтары. Макроскопиялық қайтымдылык және макропроцесстердің қайтымсыздығы. Релаксациялык мүшесі бар кинетикалық теңдеу және оның колданылулары. Өзімен Үзі келісілген Үріс жуықтауындағы кинетикалық теңдеу. Власовтыц сызықтандырылған теңдеуі. Ландау бойынша плазмалық тербелістер мен Үшулер. Больцманнын кинетикалық теңдеуі. Н- теорема. Максвеллдың локалды үлестіруі және гидродинамика теңдеулері. Тасымал коэффиценттері. [4,6] [4,6] 11 Курстың саясаты Талаптар жүйесі: оқу процесіне белсенді қатысу; тапсырмаларды уақытымен және толық орындау; ішкі тәртіп ережелерін бұзбау; сабаққа кешікпеу және сабақты босатпау. босатылған сабақтарды оқытушымен белгілеген уақытта өтеу; курстастарымен және оқытушылармен тілектес, іскер стильді ұстану. Әрбір сабаққа дайындалу ұсынылған материалды толық оқу сияқты міндетті. Студенттердің білімін тексеру тәртібі Сіздердің дайындықтарыңыз бақылау жұмыстарымен, тест

10 10 тапсырмаларымен, ауызша және жазбаша сұраулармен тексеріледі. Курсты оқу барысында студенттердің білімін рейтингілік бағалау жүйесі қолданылады. 1. Семестрдің ортасы мен соңында 100 балдық шкала бойынша пәннің оқылған модулі бойынша студенттің ағымдағы үлгерім (АҮ) бағасы анықталады. АҮ бағасы бұл келесі жинаған балдардың қосындысы: 1) дәрістік бақылау рейтингісі; 2) зертханалық сабақтар рейтингісі; 3) үй тапсырмасын орындау рейтингісі; 4) өздік жұмыс рейтингісі кіреді. Дәрістік бақылау рейтингісіне дәріске қатысу және дәріс сабақтарының тапсырмаларын орындау кіреді. Зертханалық сабақтар рейтингісі бұл зертханалық сабақтарда зертханалық жұмыстарды орындау, қорғау. Үй тапсырмасының рейтингісі бұл үй тапсырмасын орындауды бағалау. Өздік жұмыс рейтингісі бұл өздік жұмыстарын орындауға және қорғауға қойылатын баға. Барлық тапсырмалар белгіленген мерзімде орындалу қажет. Егер студент сабақ үстінде тәртіп ережесін бұзса, ол қатаң түрде жазаланылады, тіпті аудиториядан босатылады. Сабақты босатқан үшін келесідей айып салынады: Сабақ себепсіз босатылса - 0 балл; әрбір өтелмеген сабақ үшін 0 балл; уақытында тапсырылмаған тапсырмаға төмен балл қойылады. Егер де сіз қандайда бір себептермен бақылау шарасына қатыспасаңыз, онда сізге оқытушымен кеңесу кезінде бақылауды жазуға мүмкіндік беріледі, керісінше жағдайда 0 балл қойылады. Рейтингілік балдар бақылау шараларының күнтізбелік графигінде көрсетілген. 2. Межелік бақылау да (МБ) 100 балдық шкала бойынша анықталады. Студенттің пән бойынша (Р1 және Р2) рейтингтері АҮ және МБ бағаларының қорытындысы бойынша анықталады Р1(2)=АҮ1(2)*0,7+МБ1(2)*0,3. Егер студент МБ-дан өтпесе немесе МБ-дан 50 балдан төмен алса, рейтинг анықталмайды. Бұл жағдайда декан МБ тапсырудың жеке мерзімдерін белгілейді. 3. Пән бойынша студенттің рұқсат рейтингісінің (РР) бағасы семестр бойынша мынаған тең: РР=(Р1+Р2)/2. 4. Студенттердің пән бойынша оқу жетістіктерінің деңгейі қорытынды рейтингісімен (Қ) анықталады. Қорытынды рейтинг салмақтық үлестерін ескерумен рұқсат рейтинг (РР) және қорытынды бақылау (ҚБ) бағаларының қосындысынан құралады Қ=РР*0,6+ҚБ*0,4

11 11 Салмақтық үлестер жыл сайын университеттің ғылыми кеңесімен бекітіледі және ол РР үшін 0,6-дан кем, ал ҚБ үшін 0,4-тен кем болмау қажет. Ескерту: АҮ ағымдағы үлгерім; МБ межелік бақылау; РР рұқсат рейтингісі; СӨЖ студенттің өздік жұмысы; СӨЖМ студенттің оқытушымен бірге өздік жұмысы; ҚБ қорытынды бақылау; Қ қорытынды рейтинг. Пән бойынша қорытынды рейтинг 1 кестеге сәйкес сандық, әріптік және дәстүрлік бағаға аударылып, «Студенттердің оқу жетістіктерінің журналы» мен «Рейтинг парағына» енгізіледі. Балл түріндегі қорытынды бағалау (Қ) Балдардың сандық белгілері (С) A ,67 A ,33 B ,0 B ,67 B ,33 C ,0 C ,67 C ,33 D ,0 D F Әріптік жүйеде бағалау Кесте 1 Дәстүрлік жүйеде бағалау Емтихан Өте жақсы Жақсы Қанағаттанарлық Қанағаттанарлықсыз Сынақ Сынақ -талды Сынақ - талған жоқ

12 12 Әдебиеттер тізімі Негізгі: 1 Базаров И.П. Термодинамика.-М., Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика (теория равновесных систем). - М.: Изд. МГУ, Кубо Р. Статистическая механика. - М., Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика. Статистическая физика.- М.: Изд. МГУ, Қосымша: 5 Бондарев, Б. В. Курс общей физики: в 3 кн.:учеб. пособие для втузов/б. В. Бондарев, Н. П. Калашников, Г. Г. Спирин.-М.:Высш. шк. Кн. 3: Термодинамика. Статистическая физика. Строение вещества с. 6 Василевский А.С., Мултановский В.В. Статистическая физика и термодинамика. М.: Просвещение, с. 7 Климантович Ю.Л. Статистическая физика.- М., Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика.- Ч.І.- М., Леонтович М.А. Введение в термодинамику. Статистическая физика.- М., Савельев И.В. Курс общей физики: в 5 кн.:учебное пособие для втузов/и. В. Савельев.- М.:Астрель:АСТ. Кн.3: Молекулярная физика и термодинамика Сивухин Д.В. Общий курс физики:учеб.пособие для вузов/д.в.сивухин.-4е изд. стереотип.- М. :ФИЗМАТЛИТ:МФТИ. Т.2:Термодинамика и молекулярнаяфизика Терлецкий Я.П. Статистическая физика.- М., Фейнман Р. Статистическая механика.- М.,