Лектор
Доктор физико-математических наук, профессор, Знаменская Ирина Александровна, znamen@phys.msu.ru 8 495 939 44 28.
Аннотация дисциплины
Владение экспериментальными методами физических исследований – необходимая компонента физического образования. В лекционном курсе характеризуются основные физические параметры и величины, принципы и методы их измерений, типы измерений, виды приемников и источников излучения, используемого в экспериментальной теплофизике, механике, молекулярной физике. В рамках курса студенты получают представление о перспективах и проблемах, ограничениях использования различных физических методов для анализа физических, механических, биологических, геофизических явлений и процессов.
Цели освоения дисциплины
Владение современными профессиональными знаниями в области экспериментальной физики и механики, умение самостоятельно проводить и интерпретировать сложные экспериментальные исследования, иметь представление о принципах работы измерительной, диагностической техники, точности и адекватности получаемых с ее помощью данных.
Задачи дисциплины
В результате освоения дисциплины обучающийся должен научиться выбирать аппаратуру для эксперимента, проводить экспериментальные исследования, анализировать полученные результаты, оценивать их значимость и достоверность.
Компетенции
Компетенции, необходимые для освоения дисциплины - ПК-1
Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины - ПК-3, ПК-7
Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен знать основные физические методы экспериментальных в естественнонаучных исследованиях;
уметь _ ставить конкретную экспериментальную задачу, выбирать аппаратуру;
владеть _ методами анализа полученных экспериментальных данных;
иметь опыт анализа результатов экспериментальной деятельности.
Содержание и структура дисциплины.
|
Вид работы |
Семестр |
Всего |
||
|
|
|
8 |
||
|
Общая трудоёмкость, акад. часов |
… |
|
72 |
72 |
|
Аудиторная работа: |
… |
|
30 |
30 |
|
Лекции, акад. часов |
… |
|
30 |
30 |
|
Семинары, акад. часов |
… |
… |
… |
… |
|
Лабораторные работы, акад. часов |
… |
… |
… |
… |
|
Самостоятельная работа, акад. часов |
… |
|
42 |
42 |
|
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен) |
… |
|
экз |
… |
|
N |
Наименование |
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7) |
Форма |
|||
|
Аудиторная работа |
Самостоятельная работа Содержание самостоятельной работы должно быть обеспечено, например, пособиями, интернет-ресурсами, домашними заданиями и т.п. |
|||||
|
Лекции |
Семинары |
Лабораторные работы |
||||
|
1 |
Понятие экспериментального метода. Прямые и косвенные измерения. Динамическое измерение. Контактные и бесконтактные методы измерений. Планирование эксперимента. Первичная обработка экспериментальных данных. |
1. 2 часа. Планирование эксперимента. Ведение лабораторного журнала. Анализ и интерпретация наблюдений. Первичная обработка экспериментальных данных. Решение обратных задач методом подбора. |
|
|
6 часов Работа с лекционным материалом. Решение обратных задач теплопроводности на конкретных примерах. Практика по планированию конкретных экспериментов. |
ДЗ, КР, Оп
|
|
2
|
Системы измерений. Система СИ. Погрешности измерений. Лабораторный, натурный, вычислительный эксперимент. Масштабирование физических процессов и явлений. π-теорема. Понятие модели, выбор модели. |
1. 2 часа. Определения основных единиц измерения в системе СИ. Возникновение погрешностей измерений Лабораторный, натурный, вычислительный эксперимент. Физическое моделирование. Понятие модели, выбор модели. Лабораторное моделирование физических процессов. Чистая комната. |
|
4 часа Работа с лекционным материалом. Работа с переводом систем единиц на примерах специализации. Примеры физических моделей исследуемых процессов. |
ДЗ, КР, Об |
|
|
2. 2 часа Масштабирование физических процессов и явлений. π-теорема - основополагающая теорема анализа размерностей. |
|
|
2 часа Работа с лекционным материа-лом. Доказательство π-теоремы. |
|||
|
3 |
Физическое подобие. Критерии подобия. Принцип обратимости движения. Автомодельное течение. |
1. 2 часа Критерии подобия: механического движения, конвективных процессов, процессов теплопередачи между жидкостью (газом) и обтекаемым телом, учитывающие силы гравитации нестационарных движений жидкостей или газов. Принцип обратимости движения. Автомодельное течение. |
|
|
4 часа Работа с лекционным материа-лом. Критерии подобия для конкретных физических задач. Работа с лекционным материалом. Пределы применимости принципа обратимости на реальных процессах. |
Об, Оп |
|
4 |
Средства измерений. Методы контроля давлений в процессе эксперимента. Единицы измерения давления. Вакуум, сверхвысокий вакуум. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры. Пределы измерения. |
1. 2 часа Средства измерений основных термодинамических величин. Методы контроля давлений в процессе эксперимента. Единицы измерения давления |
|
|
2 часа Работа с лекционным материалом. Расчет ударной трубы. |
ДЗ, КР |
|
2. 2 часа Методы и приборы измерения высоких давлений. Высокий вакуум, сверхвысокий вакуум. Особенности процессов переноса в газах, находящихся в состоянии вакуума. Газодинамические основы процесса откачки. Измерение вакуума. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры. Пределы измерения.
|
|
|
2 часа Работа с лекционным материалом. Решение задач по теме “Основное уравнение вакуумной системы”
|
|||
|
5 |
Методы контроля температурных условий эксперимента. Температурные шкалы. Принципы действия различных термометров. Измерения температуры контактными и бесконтактными методами. Экспериментальные методы исследования динамических процессов. |
1. 2 часа Методы контроля температурных условий эксперимента. Температурные шкалы. Принципы действия различных термометров. Измерения температуры контактными и бесконтактными методами. |
|
|
2 часа Работа с лекционным материа-лом. Решение задач по теме “Температурные шкалы.” |
ДЗ, КР, Оп |
|
2. 2 часа Экспериментальные методы исследования динамических процессов. Синхронизация быстропротекающих процессов. |
|
|
2 часа Работа с лекционным материа-лом. Расчет задержек синхронизации. |
|||
|
6 |
Разрешающая способность оптических приборов. Критерий Рэлея. Фотохронографический режим регистрации динамических процессов. Примеры регистрации процессов. Скоростные методы оптико-механической регистрации: фоторегистраторы и кадровые камеры. |
1. 2 часа Разрешающая способность оптических приборов. Критерий Рэлея. Мира. Характеристическая кривая светочувствительного материала. |
|
|
2 часа Работа с лекционным материа-лом. Решение задач по теме «Критерий Рэлея». Расчет чувствительности матрицы. |
ДЗ, КР, Р
|
|
7 |
Лазер как инструмент экспериментальных исследований. Типы лазеров |
1.2 часа Лазер как инструмент экспериментальных исследований. Принципы и диапазоны применения. |
|
|
2 часа. Работа с лекционным материалом. Расчет лазерных систем. |
|
|
|
2.2 часа. Лазеры на красителях, газовые лазеры, газодинамические, эксимерные, твердотельные, полупроводниковые, химические, лазеры на свободных электронах. |
|
|
2 часа. Работа с лекционным материалом. Расчет переходов. |
|
|
|
8 |
Приемники ЭМ излучения: обобщенный квантовый выход. Электронно-оптические преобразователи. Фотоэлектронный. ПЗС-камеры. Источники и детекторы электромагнитного излучения. Диапазоны электромагнитного излучения как инструмента экспериментальных исследований. |
1. 2 часа Электронно-оптические преобразователи, устройство, аппаратная функция и коэффициент передачи. Фотоэлектронный умножитель - принцип действия, конструктивные особенности. ПЗС- матрицы и ПЗС-камеры: устройство и возможности. Микроканальные электронные умножители. |
|
|
2часа Работа с лекционным материалом. Расчет аппаратной функции прибора. |
ДЗ, КР, Р, Об
|
|
2. 2 часа Источники и детекторы электромагнитного излучения. Диапазоны электромагнитного излучения как инструмента экспериментальных исследований. Основные характеристики источников. |
|
|
2 часа Работа с лекционным материалом. Решение задач по теории ЭМ излучения. |
|||
|
8 |
Виды спектроскопии. Спектральные приборы. Методы спектрального разложения. Синхротронное излучение. Источники СИ. Ускорители. Электронные, оптические микроскопы. Растровые микроскопы. Сканирующий туннельный микроскоп. Рентгеновский микроскоп. |
1. 2 часа Виды спектроскопии. Спектральные приборы. Источники спектров. Методы спектрального разложения. Синхротронное излучение. Источники синхротронного излучения. Ускорители.
|
|
|
4 часа Работа с лекционным материа-лом. Анализ спектров. |
ДЗ, КР, Р, Об
|
|
2. 2 часа Электронные, оптические микроскопы. Сканирующие электронные системы. Растровые микроскопы. Факторы, определяющие увеличение, разрешающую способность и глубину резкости. Сканирующий туннельный микроскоп. Рентгеновский микроскоп. |
|
|
4 часа Работа с лекционным материа-лом. Обработка и анализ изображений с микроскопов. Оценка разрешающей способности системы.
|
|||
Семинары и лабораторные работы указываются только при их наличии в учебном плане (приложение 6). Остальные позиции заполняются в обязательном порядке.
Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости.
|
1 3. Домашнее задание (ДЗ); |
4 6. Коллоквиум (К); |
7. 8. Тестирование (Т); 9 |
10. Контрольная работа (КР); 11. 12. Опрос (Оп); |
15.); 16. Обсуждение (Об). |
Место дисциплины в структуре ООП ВПО
- обязательная.
- вариативная часть, профессиональный блок, дисциплина профиля.
- Является основой для чтения дисциплин кафедры молекулярной физики. Необходимо знание общей физики, статистической физики.
- «“Механика сплошных сред", “Физическая газодинамика”, «Статистическая физика».
- «Гидродинамика релаксирующих и реагирующих сред», «Физика горения и взрыва».
Образовательные технологии
- включение студентов в проектную деятельность,
- дискуссии,
- использование средств дистанционного сопровождения учебного процесса,
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации. Примеры
контрольных вопросов: Назвать основные единицы системы СИ. Привести примеры внесистемных единиц. Что определяет развитие исследований быстропротекающих процессов в физике и механике? Какие позволяет измерить использование критерия Рэлея? К каким следствиям приводят эффекты геометрической, волновой, квантовой оптики при регистрации малых объектов? Методы измерений называются бесконтактными. Привести примеры. Какие типы электронных микроскопов вы знаете? Что такое БАК? В каких спектральных диапазонах регистрируются молекулярные спектры?
- вопросов теоретического минимума: Соотношение эксперимента и теории в познании. Каков физический смысл критерия Рэлея? Что можно назвать быстропротекающим процессом? В чем смысл π-теоремы? Какие параметры подобия дают учет гравитации? Классификация типов измерений. Классификация лазеров как инструментов экспериментальных исследований. Что включает в себя понятие физического подобия процессов?
- домашних заданий: Задача 1. Расчет зависимости тепловых потоков через поверхности объекта от времени по известным граничным условиям на границах объекта. Задача 2. Расчитать число Рейнольдся для обтекания каверны. Задача 3. Подбор значения энергоподвода de/dt на основе анализа результатов эксперимента (динамики ударных волн)
Задача 4. Расчитать перепад давлений на диафрагме ударной трубы для получения числа Маха ударной волны 3. Задача 5.Расчитать число Маха ударной волны по интерферограмме потока. Задача 6.Расчитать скорость откачки насоса по основному уравнению вакуумной системы. Задача 7. Нарисовать схему растрового электронного микроскопа.
полного перечня вопросов к экзамену:
- Понятие экспериментального метода. Прямые и косвенные измерения. Динамическое измерение. Контактные и бесконтактные методы измерений.2. Виды спектроскопии. Спектральные приборы. Источники спектров. Методы спектрального разложения. 3. Системы измерений. Определения основных единиц измерения в системе СИ. 4. Фотохронографический режим регистрации динамических процессов. Примеры регистрации процессов. Скоростные методы оптико-механической регистрации: фоторегистраторы и кадровые камеры. 5. Возникновение погрешностей измерений Лабораторный, натурный, вычислительный эксперимент. 6. Физическое моделирование. Лабораторное моделирование физических процессов. Масштабирование физических процессов и явлений. π-теорема - основополагающая теорема анализа размерностей. 7. Планирование эксперимента. Ведение лабораторного журнала. Анализ и интерпретация наблюдений. 8. Критерии подобия: механического движения, конвективных процессов, процессов теплопередачи между жидкостью (газом) и обтекаемым телом, учитывающие силы гравитации нестационарных движений жидкостей или газов. Закон подобия газовых разрядов. 9. Приемники ЭМ излучения; обобщенный квантовый выход. Электронно-оптические преобразователи, устройство, аппаратная функция и коэффициент передачи. 10. Принцип обратимости движения. Физическое подобие. Автомодельное течение. 11.Электронные, оптические микроскопы. Сканирующие электронные системы. Растровые микроскопы. Факторы, определяющие увеличение, разрешающую способность и глубину резкости. Сканирующий туннельный микроскоп. Рентгеновский микроскоп. 12. Средства измерений. Методы контроля давлений в процессе эксперимента. Единицы измерения давления. Высокий вакуум, сверхвысокий вакуум. Особенности процессов переноса в газах, находящихся в состоянии вакуума. 13. Понятие модели, выбор модели. Решение обратных задач методом подбора. Примеры. 14. Принцип действия, предельно достижимые вакуумные условия для различных вакуумных насосов (ротационных, диффузионных, сорбционных). Газодинамические основы процесса откачки. Измерение вакуума. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры. Пределы измерения. 15.Синхронизация быстропротекающих процессов. Схема баллистического эксперимента Э.Маха. 16. Методы контроля температурных условий эксперимента. Измерения температуры контактными методами. Температурные шкалы. Реперные точки. 17.Лазер как инструмент экспериментальных исследований. Твердотельные, полупроводниковые, химические, лазеры на свободных электронах. 18. Принципы действия различных термометров. Измерение температуры бесконтактными методами. 19. Диапазоны электромагнитного излучения как инструмента экспериментальных исследований. Источники и детекторы электромагнитного излучения. Основные характеристики источников излучения (монохроматичность, временная и пространственная когерентность). 20. Синхротронное излучение. Источники синхротронного излучения. 21. Разрешающая способность оптических приборов. Миры. Критерий Рэлея. Характеристическая кривая светочувствительного материала. 22. Фотоэлектронный умножитель - принцип действия, конструктивные особенности. ПЗС- матрицы и ПЗС-камеры: устройство и возможности.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
|
1. М. И. Пергамент. Методы исследований в экспериментальной физике. 2010. 600с. М. Изд. Интеллект. 2. И.Ф. Кобылкин, В.В. Селиванов В.С. Соловьев, Н.Н. Сысоев. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. М. Физматлит. 2004. 375 с. 3. Знаменская И. А., Гвоздева Л.Г., Знаменский Н.В. Методы визуализации в механике газа. Учебное пособие. М. 2001. Дополнительная литература 1. Знаменская И.А. Методы визуализации газодинамических потоков и ударных волн с использованием оптического излучения среды. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под редакцией В.М. Фортова. 2007. Серия Б Том V-1. Глава 6. С. 639-648. 2. Походун А.И., Шарков А.В. Экспериментальные методы исследований. Измерения теплофизических величин: Учебное пособие СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - 87 с. 3. Специальный практикум по молекулярной физике. Под.ред. Н.Н. Сысоева и А.И. Осипова. М.: Изд-во «КДУ», 2007. |
Интернет-ресурсы
- http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/1222
- http://www.imec.msu.ru/content/nio/VanDaik/
- http://molphys.phys.msu.ru
Программное обеспечение современных информационных компьютерных технологий
Материалы курса есть на сайте кафедры mol.phys.msu.ru
Материально-техническое обеспечение
Аудитория 2-44. Мультимедийный проектор с экраном для презентаций.