Молекулярна фізика

Мета вивчення дисципліни:
Навчальна дисципліна «Молекулярна фізика» має на меті навчити знанням про основні фізичні явища що відбуваються з системами які містять макроскопічно велику кількість молекул і методами опису цих явищ на основі положень молекулярно кінетичної теорії і підготувати здобувачів до засвоєння подальших курсів. Ще однією метою є навчити здобувачів застосуванню знань вмінь і навичок отриманих в попередніх і паралельних курсах.

Практичне значення та використання отриманих знань:
Вивчення дисципліни «Молекулярна фізика» дозволить здобувачу застосовувати статистичні методи опису динамічних систем при вивченні наступних розділів курсу загальної фізики, зрозуміти підстави для переходу до квантового опису які витікають молекулярних і інших термодинамічних явищ, глибше зрозуміти суть класичної динаміки.
Тематика та види навчальних занять

Для очної (денної) форми здобуття освіти

Лекційні заняття
Лекція 1. «Основні положення молекулярно-кінетичної теорії та їх експериментальне обгрунтування».
Лекція 2. «Характерні розміри, маси і кількості молекул. Походження числа Авогадро. Вимірювання кількості в молях. Молярна маса речовини».
Лекція 3. «Проблеми застосування механічного підходу для опису динаміки молекулярних систем що містять макроскопічні кількості молекул. Статистичний підхід. Макроскопічні і мікроскопічні стани. Статистична вага макроскопічного стану. Ентропія».
Лекція 4. «Сумісна густина імовірності координат і швидкостей (або імпульсів) молекул. Рівноважні і нерівноважні стани. Статистична рівновага і термодинамічна рівновага».
Лекція 5. «Модель ідеального газа. Отримання основного рівняння молекулярно кінетиіної теорії ідеальних газів.».
Лекція 6. «Експерименти з вимірювання швидкостей молекул. Експеримент Штерна».
Лекція 7. «Отримання основного рівняння молекулярно кінетиіної теорії ідеальних газів (продовження). Рівняння стану ідеального газу (термічне рівняння стану). Закони ідеальних газів для ізопроцесів».
Лекція 8. « Перший закон термодинаміки. Функції стану і функції процесу. Математичні властивості функцій стану і функцій процесу».
Лекція 9. «Теплоємності системи в різних процесах. Співвідношення Майера для теплоємностей ідеального газа».
Лекція 10. «Вирази для енергії молекули ідеального газа для різних типів молекул. Кількість ступенів вільності молекули».
Лекція 11. «Теорема про рівнорозподіл енергії за ступенями вільності молекул ідеального газа».
Лекція 12. « Внутрішня енергія ідеального газа. Калоричне рівняння стану для ідеального газа. Теплоємності ідеального газа при різних процесах».
Лекція 13. «Порівняння властивостей теплоємностей ідеального газа отриманих за допомогою теореми про рівнорозподіл енергії по ступеням вільності з експериментом. Суть протиріччя теоретичного результата з експериментом» .
Лекція 14. «Експериментальна залежність теплоємностей ідеального газа від температури як одна з експериментальних підстав для перехода до квантової механіки».
Лекція 15. «Міжмолекулярні сили. Сили Ван-дер-Ваальса. Хімічні зв’язки між молекулами».
Лекція 16. «Реальні гази. Часткове врахування взаємодії між молекулами в рівнянні Ван-дер-Ваальса».
Лекція 17. «Поверхневий натяг. Коефіцієнт поверхневого натяга. Роль мила і миючих засобів в процесі миття і прання. Залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури.»
Лекція 18. «Лапласовий тиск. Капілярні явища. Роль поверхневого натягу у процесах пароутворення і конденсації»
Лекція 19. «Ізотерми Ван-дер-Ваальса. Ізотерми реального газа. Спінодаль і бінодаль. Перегріта рідина і пересичений пар. Детектування частинок за допомогою камери Вільсона і бульбашкової камери».
Лекція 20. «Критична температура. Критичні явища. Критична опалесценція. Зростання флукуацій при критичних явищах. Зростання кореляційного радіуса при критичних явищах. Фазові переходи першого і другого рода».
Лекція 21. «Пароутворення. Кипіння. Насичена і ненасичена пара. Абсолютна і відносна вологість повітря. Методи вимірювання відносної вологості повітря. Чому при приготуванні їжі або кави чи чаю потрібно досягати процесу кипіння».
Лекція 22. «Рідини і тверді тіла. Ближній і дальній порядок. Процес плавлення. В’язкізть, теплопровіодність і дифузія в газах, рідинах і твердих тілах».

Практичні заняття
Практичне заняття №1. «Практикування в аналізуванні графіків процесів з ідеальним газом».
Мета заняття: Набуття навичок отримання інформації з графіків процесів з ідеальним газом а також перебудови графіків з одних змінних в інші.
Практичне заняття №2. «Розрахунок статистичної ентропії ідеального газа».
Мета заняття: Самостійне отримання здобувачами виразу для ентропії ідеального газу як функції від чисел заповнення енергетичних станів молекул за допомогою викладача.
Практичне заняття №3. «Знаходження умовного максимуму ентропії ідеального газа за умови фіксованих середніх значень енергії газу і числа частинок в ньому».
Мета заняття: Самостійне отримання здобувачами виразів для значень чисел заповнення енеретичних станів які доставляють умовний максимум ентропії за допомогою викладача.
Практичне заняття №4. «Розрахунок розподілу молекул по швидкостям в макроскопічному стані що відповідає числам заповнення в точці умовного максимуму ентропії».
Мета заняття: Самостійне отримання здобувачами розподілу молекул по швидкостях за допомогою викладача.
Практичне заняття №5. «Встановлення значень множників Лагранжа для задачі на умовний макимум ентропії ідеального газа шляхом зісталення з результатом експеримента».
Мета заняття: Самостійне отримання здобувачами розподілу Гіббса для ідеального газа за допомогою викладача.
Практичне заняття №6. «Практикування використання розподілу Максвелла для розрахунку величин що харакеризують рівноважний стан ідеального газа».
Мета заняття: Набуття навичок проведення аналітичних розрахунків із розподілом Максвелла.
Практичне заняття №7. «Отримання рівняння адіабатичного процесу. Розрахунок КПД для циклу Карно».
Мета заняття: Самостійне отримання здобувачами зв’язку між параметрами ідеального газу при адіабатичному процесі і виразу для КПД циклу Карно за допомогою викладача
Практичне заняття №8. «Доведення теореми про рівнорозподіл енергії по ступенях вільності».
Мета заняття: Розрахунок здобувачами середніх значень енергії постіпального, обертального і коливального руху молекул за допомогою здобувача
Лабораторні заняття
Лабораторне заняття №1. «Оцінка розміру молекул по площі розтікання мильної плівки».
Мета заняття: Експериментальне визначення здобувачами характерної величини розмірів молекул
Лабораторне заняття №2. «Визначення величини константи Больцмана по результатам вимірювання розподілу молекул по швидкостях».
Мета заняття: Використання результатів вимірювання розподілу молекул газа по швидкостях при різних температурах для вимірювання величини константи Больцмана.
Лабораторне заняття №3. «Написання Монте-Карло генератора швидкостей молекул на основі розподілу Максвелла».
Мета заняття: Самостійна реалізація здобувачами програми генерації гаусівської випадкової величини за допомогою викладача.
Лабораторне заняття №4. «Написання Монте-Карло генератора швидкостей молекул на основі розподілу Максвелла (продовження)».
Мета заняття: Написання здобувачами комп’ютерної програми для симуляції вимірювання швидкостей молекул на основі розподілу Максвелла.
Лабораторне заняття №5. «Комп’ютерне симулювання експеримента з вимірювання розподілу молекул по швидкостях за допомогою створеного здобувачами Монте-Карло генератора подій».
Мета заняття: Набуття навичок комп’ютерного симулювання експерименту. Практичне застосування розподілу Максвелла.
Лабораторне заняття №6. «Вимірювання коефіцієнту повехневого натягу рідини».
Мета заняття: Поглиблення знань здобувачів, отриманих в лекційному курсі і на практичних заняттях за допомогою експеримента. Набуття навичок користування експериментальними методиками вимірювань
Лабораторне заняття №7. «Вимірювання коефіцієнта в’язкозті рідини методом Стокса».
Мета заняття: Експериментальне вивчення явища в’язкозті в рідині.
Консультації здійснюються впродовж семестру згідно з встановленим розкладом.
Індивідуальна робота

Розрахунково графічна робота. Розрахункова частина роботи полягає в знаходженні швидкостей молекул після зіткнення через їх швидкості до зіткнення в моделі твердих кульок. Далі за допомогою отриманого результату здобувачі створюють Монте –Карло генератор подій і симулюють встановлення статистичної рівноваги при додаванні в рівноважний ідеальний газ із певною температурою заданої кількості молекул. Графічна частина полягає в побудові графіків гістограм компонент швидкостей доданих молекул в різні моменти часу.

Розрахункова частина роботи здається в першому модулі і оцінюється макимально в 5 балів.
Комп’ютерна симуляція і графічна частина здаються в другому модулі і оцінюються максимально в 10 балів. Макимальна оцінка за РГР – 15 балів
Форми контрольних заходів та оцінювання результатів навчання

Для очної (денної)ї форми здобуття освіти

Поточний контроль полягає у контрольних опитуваннях на практичних заняттях (оцінюється максимум у 20 балів сумарно в першому модулі і також у 20 балів сумарно в другому модулі), і захисті лабораторних робіт 15 балів сумарно в першому модулі і 10 ба-лів сумарно у другому модулі.
Ці 65 балів розподіляються таким чином. Кожне з 8 практичних завдань оцінюється в 5 балів (40 балів сумарно). Захист лабораторних завдань 1-3 оцінюється по 5 балів кожне (15 балів сумарно), захист лабораторних завдань 4,5,6 оцінюється по 3 бали кожне, а зхсит лабораторного завдання 7 – в один бал (10 балів сумарно).
Ще 5 балів максимум в першому модулі і 10 балів максимум в другому модулі здо-бувач може отримати за виконання завдань РГР
Також поточний контроль полягає у виконанні двох модульних контрольних робіт (кожна оцінюється в 10 балів макимум). Модульна контрольна робота виконується у пись-мовій формі та складається з 2 частин:
1) відповіді на питання, що охоплює одну з тем лекційного курсу (5 балів)
2) розв’язку задачі з курсу практичних занять (5 балів).
Таким чином протягом семестра здобувач може отримати 65 + 15 +20 =100 балів.

Підсумковий контроль – екзамен. Екзаменаційний білет складається з трьох питань. Два з них стосуються лекційного курсу і формуються таким чином. щоб вони охоплювали декілька взаємопов'язаних частин цього курсу. Кожне питання оцінюються в 30 балів. Третє питання передбачає розв’язок задачі, пов’язаної з курсом практичних занять і оцінюється в 40 балів. Максимальна оцінка, яку може отримати студент – 100 балів.