Füüsikaosakond | Teadus- ja õppetöö | Aineprogrammid

Füüsikaline maailmapilt (FKEF.02.001)

Ingliskeelne nimetus:	Physical Concept of the World
Õppeaste:	bakalaureuseõpe
Kohustuslik õppekavades:	füüsika, keemia, materjaliteadus, infotehnoloogia, informaatika, matemaatika, matemaatiline statistika
Valikaine õppekavades:
Kohustuslikud eeldusained:
Soovitatavad eeldusained:
Vastutav(ad) õppejõud:	Kalev Tarkpea, Jaan Susi
Instituut:	FKEF
Osalejate piirarv:	600
Kontrolli vorm:	eksam (kirjalik + suuline)
Aine maht:	4 AP
Loenguid:	64h
Harjutustunde/seminare:	16h
Praktilisi töid:	-
Iseseisvat tööd:	80h
Kontrolltöid:	4
Referaate:	-
Aineveeb:	http://www.physic.ut.ee/instituudid/efti/loengumaterjalid/fmp/

Aine sisu lühikirjeldus

Eesmärgiks on tutvustada füüsikat kui mõtestatud tervikut ja füüsika rolli indiviidi isikliku maailmapildi kujundamisel. Kuulajate varasemaid füüsikateadmisi eeldamata viiakse nad kiiresti kaasaegse füüsika põhiideedeni (aine ja välja erisused, absoluutkiiruse printsiip, dualismiprintsiip, fermionide ja bosonite eristamine jne). Füüsika reduktsionistlikule käsitlusele eelistatakse holistlikku, faktikesksusele seosekesksust. Kuulajate teadvuses püütakse eelkõige tekitada füüsikaliste protsesside olemust peegeldavaid kujutluspilte. Matemaatiliste meetodite rakendamise kohta füüsikas tuuakse vaid markantseid näiteid. Käsitluse üldist matemaatilist rangust ei taotleta.

Auditoorse töö ajakava

Loengud:

1. Maailmapildi mõiste.
   Vaatleja, tema keha, hing ja vaim. Sündmus, signaal, aisting ja visioon. Vaatleja tunnused: tahe, aisting, mälu ja mõistus. Süllogism. Mütoloogiline, teaduslik, religioosne ja ateistlik maailmapilt. Teaduse meetod (probleem-hüpotees-kontroll-järeldus). Induktsioon ja deduktsioon. Determinism. Fatalistlik, juhuslik, kaootiline ja tahtlik põhjuslikkus. Ettemääratus.Varjatud parameeter. Põhjuslikkuse suunatus. Reduktiivne ja kronoloogiline põhjuslikkus. (4 h)
2. Füüsika nii loodus- kui täppisteadusena.
   Visioonide ruum ja füüsika. Füüsikalised objektid ja füüsikalised suurused. Skalaarid ja vektorid. Mõõtmine ja mõõtühikud. Mudelid füüsikas, printsiibid, seaduspärasused, seadused. Loodusteaduslik ja täppisteaduslik käsitlus. Füüsika keel, selles kasutatavad lühendid. Füüsika prognostiline ja heuristiline väärtus. (2 h)
3. Füüsikalise maailmapildi põhijooned.
   Loodusteadusliku info topoloogia. Kehad, liikumine, vastastikmõjud, aine ja väli, laeng, energia, atomism, spinn. Energia miinimumi printsiip, tõrjutusprintsiip, absoluutkiiruse printsiip, dualismiprintsiip, tõenäosuslikkus. Põhivastastikmõjud ja neist tingitud jõud. Elementaarosakesed. Standardmudel. Fermionid ja bosonid. Leptonid ja kvargid. Osakese reaal-, virtuaal- ja vaakumolek. Füüsikalise maailmapildi arengufaasid. Reduktsionism ja holism füüsikas. Maailmapildi struktuursed tasandid. (4 h)
4. Mehaanika kui füüsikaliste mudelite alus.
   Keha suurus, asukoht, asend ja kuju. Koordinaadid. Taustsüsteem. Liikumisvormid: translatsioon, rotatsioon ja deformatsioon. Võnkumine ja laine. Matemaatilised meetodid liikumise kirjeldamiseks. Diferentseerimine ja integreerimine. Liikumisvõrrandid. Graafilised meetodid liikumise kirjeldamiseks. Kulg- ja pöördliikumise kinemaatika ning dünaamika. Newtoni seadused. Hõõrdejõud. Inertsjõud. Töö, energia ja võimsus. Vedelike ja gaaside mehaanika. Jõumoment, inertsimoment, impulsimoment. Kuu ja õun Newtoni käsitluses. Gravitatsiooniseadus. Taevakehade liikumine. Kepleri seaduste tulenevus dünaamika põhiseadustest. (12 h)
5. Relativistlik füüsika.
   Atomistlik printsiip ja piirkiirus. Aine ja välja põhimõtteline erinevus. Ruum ja aeg kui vaatleja kujutlused. Aja aeglustumine, pikkuste lühenemine, inertse massi suurenemine. Seisumass ja seisuenergia. Relativistlik impulss. Ekvivalentsusprintsiip. Üldrelatiivsusteooria. (4 h)
6. Võnkumised ja lained.
   Elastsus. Harmooniline võnkumine, selle kirjeldamise viisid. Võnkumiste diferentsiaalvõrrand ja selle lahendamine sumbumatu, sumbuva ning sundvõnkumise korral. Eksponentfunktsioon füüsikas. Sumbetegur ja ajategur. Kompleksarvude kasutamine füüsikas. Kompleksmeetod võnkumiste kirjeldamiseks. Võnkumiste liitumine, harmooniline analüüs, Fourier' teisenduse füüsikaline olemus. Laine kui võnkumise levimine ruumis. Piki- ja ristlained. Interferents ja difraktsioon. Lainefunktsioon. Seisulained ja kvantarvud. Doppleri efekt. (8h)
7. Väljade kirjeldamine.
   Gravitatsiooniseadus ja Coulomb'i seadus. Gravitatsiooniväli ja elektrostaatiline väli. Ampere'i seadus ja magnetväli. Vastavad väljatugevused (g, E ja B). Potentsiaal ja pinge. Vektorid D ja H. Väljavektori voog. Elektromagnetiline induktsioon. Väljavektori tsirkulatsioon. Elektromotoorjõud. Maxwelli võrrandid (induktsiooniseadus, magnetvälja pööriselisus, koguvooluseadus, Gaussi teoreem). Elektromagnetlainete tekkimine. Elektrivool ja selle mehaanilised mudelid. Keha takistus, aine eritakistus. Keha mahtuvus ja induktiivsus. Elektri- ja magnetvälja energia. Elektromagnetvõnkumised. Elektromagnetlainete tekkimine. Kvantväljateooria alused. Feynmani diagrammid. (12 h)
8. Mikromaailma füüsika.
   Planetaarne aatomimudel. Bohri mudel. Elektroni kiiruse, orbiidi raadiuse, impulsimomendi ja energia sõltuvus kvantarvust. Elektroni de Broglie lained, lokaalne ja tsükliline rajatingimus neile. Valguse kiirgumine ja neeldumine Bohri mudeli kohaselt. Spektraalseeriad. Kaasaegne aatomimudel. Kvantarvud ja valikureeglid. Aatom, tuum, nukleon, kvark. Tuumareaktsioonid: lõhustumine ja süntees. Tuumakiirgused ja nende bioloogiline toime. (6 h)
9. Optika ja kvantmehaanika põhijooned.
   Elektromagnetlainete skaala. Spektraalparameetrid. Valguse teke, levik ja neeldumine. Valguse peegeldumine ja murdumine. Aine optiliste omaduste tulenevus elektrilistest. Valguse interferents, difraktsioon ja polarisatsioon. Valguse vastastikmõju ainega. Fotoefekt. Lainejada. Dispersiooniseosed ja rühmakiirus. Kvantmehaanika alused. Määramatuse seosed. Lainefunktsioon kvantmehaanikas, Schrödingeri ja Diraci võrrandid. Tunnelefekt. Elektronmikroskoopia. Kvantmehaanika tõlgendused. Einstein-Podolsky-Roseni paradoks ja kvantteleportatsioon. (8 h)
10. Molekulaarfüüsika ja termodünaamika.
    Temperatuur ja soojus. Soojusülekandeprotsessid. Soojuskiirgus. Aine agregaatolekud ja siirded nende vahel. Molekulaarkineetilise teooria alused. Ideaalgaas ja reaalgaas. Jaotusseadused. Statistilise füüsika vajalikkus. Termodünaamilised olekuparameetrid (p, V, T, S) ja termodünaamilised potentsiaalid, seosed nende vahel. Termodünaamika printsiibid. (4 h)
11. Megamaailma füüsika.
    Universumi struktuur ja evolutsioon. Faasisiirded selle käigus. Ühendinteraktsioonide lahknemine. Universumi tulevikumudelid. (2 h)

Seminarides (24 h) lahendatakse erialaspetsiifilisi ülesandeid ja tehakse kontrolltöid.

Kirjandus

1. K. Tarkpea, H. Voolaid. Füüsika käsiraamat. Koolibri, 2002.
2. J. Lõhmus, R. Veskimäe (toim.). Universumi mikromaailm. 2003.
3. S. Hawking. Universum pähklikoores (Universe in a Nutshell). EE, 2002.
4. Robert H. March. Füüsika võlu (Physics for Poets). Ilmamaa, 2000.
5. P. Lorents. Sissejuhatus füüsikasse. SKA kirjastus, 1998.
6. I. Saveljev. Füüsika üldkursus I, II ja III. Valgus, 1978-1979.
7. Frank H. Shu. The Physical Universe. Univ.Science Books, 1982.
8. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker. Fundamentals of Physics. Extended version. Wiley, 1997 ja hilisemad versioonid.

Jooksva kontrolli osakaal eksamihindes, eksamile pääsemise tingimused

4 kontrolltööd, millest kaks esimest annavad kuni 15% ja kaks ülejäänut kuni 20% eksamihindest. Kuni 30% annab eksamitöö. Eksamile lubatakse kõik, kes on kogunud kontrolltöödega üle 20% punktidest. Kõrgeimale hindele (A) pretendeerijate teadmisi kontrollitakse täiendavalt eksami suulises osas. Eksami suulist osa võivad taotleda üliõpilased, kes kirjalikes kontrollivormides on kogunud üle 70% punktidest.

Võlgnevuste likvideerimise võimalused

Kontrolltöö soorituspiiri ei ole, mitteosalemine tähendab vastavat tühikut eksamihindes. Kontrolltöö kordussooritus on võimalik üks kord enne eksamit, osaleda võivad kõik soovijad. Kordussooritus toimub väljaspool ordinaarset õppetööd. Eksami kordussooritus on võimalik üks kord enne semestri lõppu või uue semestri esimese kahe nädala jooksul.

www@physic.ut.ee