# Программа по физике Физико-математической школы F M S H.R U

Леонид Александрович Ашкинази

Программа по физике Физико-математической школы FMSH.RU

Все это изучить даже за три года по три часа в неделю невозможно.

Это даже рассказать за указанное время невозможно. Это то, что мне хотелось бы...


1. Методология физики


Физика как средство поступления в вуз, источник заработка, источник кайфа, язык описания мира. Роль науки в жизни, взаимодействие физики с другими науками и инженерией. Структура физики -- надежное знание и область его применения, разрабатываемая зона, еще не разрабатываемая зона. Формулировка Рамсфелда. Типы непознанного -- по точности, по значениям параметров, по области действия, по моделям. Три подхода к познаваемости и корреляция с психологией людей. Выбор жизненного пути (первое деление -- инженерия и IT, физика и прочие естественные науки, математика), связь приза с трудом и риском. Психология отложенного удовольствия. Накопленное знание как файл последовательного доступа. Что такое "понимание" при изучении физики и других дисциплин. Место школьной физики в физике вообще. Преподаватель может чего-то не знать или ошибаться. "Невидимый урок". Многоступенчатость вопросов в физике.


Дополнительно.

Научно-популярные журналы и книги, разделы "наука" в СМИ как способ вешания лапши на уши. Наука как система взаимопроникающих языков. Взаимодействие с бытовым языком. Язык как результат и условие познания, словарь и грамматика язык как ограничитель. Язык математики -- часть языка всех естественных наук, и чем дальше, тем больше.


2. Математика


Числа, операции с ними. Связь величин, изображение связи величин, функция. Функции нескольких величин и их изображение. Вектор как аргумент и функция. Операции с векторами. Сложение, вычитание, умножение на число, разложение по любым осям (задача про ящик и две веревки), определение модуля. Скалярное и векторное умножения.


Дополнительно.

Тензор. Поле -- скалярное и векторное. Операции с функциями. Среднее значение, мода, медиана, предел, производная, интеграл, свертка. Почему не существует векторного деления.


3. Физический язык


Когда и зачем вводятся понятия. Физическая величина и физический закон. Величина -- характеристика объектов, определяемая либо сравнением с эталоном, либо вычислением. Размерность, ее участие в операциях, ее применение для контроля вычислений. Закон -- связь величин в каких-то условиях, установленная с какой-то точностью. Жесткий и статистический закон, функция распределения. Деление физики на области в учебнике и реальной физике. Малые и большие величины, зависимость от задачи, применение при вычислениях. Пассивная ориентация спутника, диск на нити (пример из Мякишева с расширением).


4 Кинематика точки


Координаты, системы отсчета, выбор системы. Не декартовы системы координат. Равномерное прямолинейное движение. За каждый равный промежуток равный путь (некорректность определения "за каждую секунду равный путь"). Путь и координаты. Скорость при равномерном прямолинейном движении. Средняя скорость, мгновенная скорость через малое приращение, предел, производную, тангенс угла наклона касательной. Тангенс в геометрии и в физике. Плоское движение, скорость как вектор. Движение в пространстве. Ускорение. Равноускоренное движение по прямой. Скорость, путь, координаты при таком движении, графики, графическое интегрирование. Движение тела, брошенного под углом к горизонту. Влияние наличия земли, финитность при решении задач движения в электрическом и магнитном поле. Равномерное движение по окружности. Ускорение -- тангенциальное, нормальное, полное. Сопутствующая система координат (контактная сила, реакция, трение). Угловая скорость точки и тела.


Дополнительно.

Три способа введения векторной величины в школьном курсе. Пример с силой трения. Угловая скорость, угловое ускорение и момент силы как вектора.


5. Динамика


Законы Ньютона. Задача с массой и двумя веревками. Когда можно складывать физические величины и когда имеет смысл это делать. Когда имеет смысл вводить физические величины. Почему вводят ускорение и вводят ли "скорость ускорения". Прямая и обратная задачи механики. Численное и аналитическое решение. Зависимость "в данный момент" и от предыстории, распространенные ошибки (задача про катушку и нить).


Дополнительно.

Попытка объяснения спиральной структуры галактик. Одиночный объект и ансамбль, радиоактивность и излучение. Связь движения звезды в галактике и возникновение жизни. Задача трех тел и будущее Солнечной системы. Ограниченная задача трех тел.


6. Источники сил


Классификация -- гравитационные, электромагнитные, ядерные, слабые. Силы в школьной физике. Электрослабое взаимодействие, суперобъединение. Пример "объединения" -- объяснение упругости электромагнитными силами, объяснение трения. Закон всемирного тяготения, смысл второй степени. Тяготение внутри сферы и шара.


Дополнительно.

Распределенная сила и парадоксы при некорректной замене распределенной силы сосредоточенной (пример с реакцией и пример с трением). Центр тяжести, масс, инерции. Инертная и тяжелая массы.


7. Проявления сил, динамика


Законы Кеплера, связь второго закона Кеплера (упрощенный вариант) и закона всемирного тяготения. Вес, реакция опоры, зависимость веса от движения. Сила упругости, закон Гука.


Дополнительно.

Кривая нагружения, модуль Юнга и сдвига, прочность, пластичность, коэффициент Пуассона, ауксетики. Закон Гука и закон сохранения энергии. Сила трения. Происхождение трения, теории трения. Сила сопротивления движению в жидкости и газе.


8. Статика


Почему ее выделяют в отдельный раздел. Равновесие сил и моментов. Условие для моментов с учетом условия для сил. Устойчивость через силу, через энергию, через площадь опоры. Статически неопределимая задача. Равновесие тел на плоскости и на оси. Два подхода в механике -- через "все силы" и через безусловные связи (школьный вариант для поступательного движения и для вращения). Законы Паскаля. Архимедова сила.


Дополнительно.

Задачи, у которых мы не знаем решения, и у которых нет решения в рамках простой теории. Балка на двух или трех тросах, лестница у стены. Задачи, у которых на самом деле нет решения в рамках традиционной механики. Рассеивающие биллиарды. Вывод законов Паскаля из свойств жидкостей, неидеальные жидкости.


9. Импульс


Определение, закон сохранения, удар. Импульс тела (количество движения) и импульс силы, их связь, закон сохранения. Адиабатические процессы.


Дополнительно.

Не центральный удар. Косой удар. Коэффициент восстановления. Звук при ударе.


10. Движение тел


Движение тел в плоскости. Угловая скорость, суммирование движений, колесо на дороге, доска на колесе. Связь с параметрами движения точек тела. Момент силы.


Дополнительно.

Момент силы, момент инерции, законы Ньютона для вращения. Момент инерции для точки, движущейся по окружности и для обруча. Закон сохранения момента импульса. Законы Ньютона и закон сохранения момента импульса для вращающихся тел.


11. Работа и энергия


Работа. Энергия -- способность совершать работу. Закон сохранения. Мощность, мощность как функция силы и скорости. Потенциальная сила, потенциальная энергия, применение закона сохранения энергии. Работа силы упругости. Вращательное движение. Вывод формулы для кинетической энергии. Потенциальная энергия в однородном поле, в поле силы упругости, в поле центральной силы (кулоновская сила, гравитация). Закон сохранения энергии в механике для замкнутой системы.


Дополнительно.

Уравнение Бернулли, трубка Пито.


12. Основы молекулярной теории


Размеры, скорость, длина свободного пробега. Взаимодействие при столкновении друг с другом и стенками. Идеальный газ, не идеальный газ. Структура газов, жидкостей, твердых тел. Кристаллические решетки, аморфные среды, более сложные ситуации, жидкие кристаллы. Газовые законы -- обобщенный, частные, Дальтона, Авогадро. Распределение Максвелла-Больцмана, опыт Штерна, энергия активации химических реакций, электронная термоэмиссия, испарение. Влияние на энергию оставшихся.


Дополнительно.

Степени неидеальности, термализация. Радиометрический эффект, термоскольжение. Взаимодействие диполей.


13. Термодинамика и теплообмен


Законы термодинамики, тепловая машина, внутренняя энергия идеального газа, тепло и работа. Изопроцессы, адиабата, кпд, цикл Карно. Работа при изменении объема газа. Работа в цикле. Тепловая машина. Теплоемкость, удельная теплоемкость, при постоянном объеме и давлении. Теплообмен, тепловое излучение, излучение шероховатой поверхности, парадокс Луны. Тепловое расширение, линейное и объемное, отрицательный КТР (линейный и объемный).


Дополнительно.

Зависимость смысла "кпд" от ситуации. Источники энергии, цепочки преобразования энергии. Главная проблема энергетики, источники и преобразование, энергетика и будущее человечества. Обратная задача энергетики.


14. Фазы


Фазовая диаграмма, фазовые превращения, многофазные системы, влажность, точка росы. Агрегатные состояния и фазовые переходы, квазистационарное состояние. Диаграммы состояния, вода при высоких давлениях и низких температурах, гелий при низких температурах. Испарение, конденсация, максимальный туман.


Дополнительно.

Дважды метастабильные жидкости и отрицательные давления в твердом теле и жидкостях, подъем воды на высоту более 10 метров растениями и человеком, расслоение газов, флюиды. Коэффициент поверхностного натяжения, жидкость в капилляре, тепловыделение при подъеме жидкости в капилляре.


15. Электростатика


Электризация трением. Закон Кулона, электрическое поле, суперпозиция полей. Графическое изображение электрического поля -- линии напряженности и изопотенциальные линии. Визуализация. Чем визуализовать -- проводником или диэлектриком. Теорема Гаусса, поле плоскости, нити, сферически симметричные системы. Диэлектрик в поле и поле в диэлектрике. Электронная и дипольная поляризация, зависимость от частоты и температуры. Проводник, диэлектрик, полупроводник, зависимость от критерия, ситуации и истории.


Дополнительно.

Пьезоэлектрик, сегнетоэлектрик, активный (управляемый) диэлектрик.


16. Энергия


Потенциальность электростатического поля. Потенциал. Емкость уединенного тела и взаимная емкость. Вычисление емкости шара. Конденсатор. Емкость плоского конденсатора. Емкость соединения конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.


Дополнительно.

"Неправильно заряженный" конденсатор. Ионистор. Зачем существуют конденсаторы и индуктивности.


17. Постоянный ток


Движение электронов в проводнике, тепловое и дрейфовое. Скорость распространения сигнала. Ток, плотность тока, условия существования тока в среде и вакууме, поле внутри и вне проводника. Закон Ома, сопротивление, удельное сопротивление, проводимость, зависимость от температуры. Сопротивление соединения, проводимость соединения. Вольтметр и амперметр как объект в задаче, расширение пределов.


Дополнительно. Нелинейность сопротивления в области больших и малых токов, сопротивление тонких пленок. Идеальный проводник и сверхпроводник. Зачем существуют сопротивления.


18. Постоянный ток и энергия


Работа тока, мощность, закон Джоуля-Ленца, работа при заряде аккумулятора. Источник ЭДС и тока, идеальные и реальный, химические источники тока, аккумуляторы, солнечная батарея, атомная батарея. Запасенная энергия в емкости и батарее. Расчет RC-цепей, соединение источников ЭДС и тока (идеальных и реальных).


Дополнительно.

Правила Кирхгофа, методы контурных токов и узловых потенциалов. Нелинейные сопротивления, графический метод, N- и S-характеристики, тиристор, туннельный диод, устойчивость. Некорректные коммутации. Процессы при коммутации.


19. Ток в средах


Электролиты, диссоциация, сольватация, электролиз. Твердые электролиты. Ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряд. Типы разрядов.


Дополнительно.

Ток в вакууме. Электровакуумные приборы. Принцип работы пролетного клистрона, отражательного клистрона, магнетрона, лампы бегущей и лампы обратной волны. Полупроводник. Собственная и примесная проводимость. Три воплощения полевого транзистора -- исходный вариант, современный, вакуумный полевой триод (Головченко).


20. Магнитное поле


Постоянный магнит, его действие. Поле тока, закон Био-Савара-Лапласа, частные случаи, аналог теоремы Гаусса. Действие поля на ток, заряд и рамку. Линии индукции, не потенциальность магнитного поля, магнитный монополь. Индукция, самоиндукция, индуктивность. Где находится эдс индукции. "Экстратоки размыкания". Сверхпроводящий контур, его деформирование и движение. Вихревые токи.


Дополнительно. Получение больших постоянных и импульсных магнитных полей. Взрывомагнитный генератор. Магнитные свойства вещества. Магнитная левитация, эффект Мейснера.


21. Оптика


Фотометрия -- абсолютная и "глазом". Отражение -- зеркальное, многократное, рассеянное, реальное. Катафот, полное отражение, волоконная оптика. Интерференция, когерентность, интерференция в тонких пленках, просветление оптики. Дифракция, зоны Френеля и зонная пластика. Поляризация в оптических и радиодиапазонах.


Дополнительно.

Дисперсия, аберрации, диаграмма Аббе, алмаз, бриллиант, имитации. Радуга. Цвет, цветовой треугольник, сложение цветов -- аддитивное и субтрактивное. Стереоскопия.


22. Квантовая физика


Шкала электромагнитных волн. Действия света, фотоэффект, внешний и внутренний. Ядерные реакции, законы сохранения. Альфа-, бета-, гамма- и нейтронное излучение. Горячие частицы.

Дополнительно.

Реактор деления и реактор синтеза, токамак и лазерный синтез.


23. Космология


Универсальные постоянные, их постоянство и непостоянство. Проверка независимости постоянной гравитации от расстояния. "Парадокс "Пионеров"". Эффект Ярковского.


Дополнительно.

Десять этапов эволюции физики. Антропный принцип. Крупномасштабная структура Вселенной. Конечность и бесконечность физики как науки.


Рекомендуемая литература


Физика. Под ред. Г.Я.Мякишева (пятитомник)

Г.С.Ландсберг Элементарный учебник физики.

Е.И.Бутиков и др. Физика для поступающих в вузы.

Козел С.М. Физика. Пособие для учащихся и абитуриентов.

Список научно-популярных статей по физике в Интернете (кнопка на нашем сайте).