Физика деформируемого твердого тела - Учебно

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ
Ширшова А.В.
ФИЗИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 011200.68 «Физика», магистерская программа
«Физика наноструктур и наносистем»
Форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2011
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Волосникова Л.М.
__________ _____________ 2011__г.
ФИЗИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 011200.68 «Физика», магистерская программа
«Физика наноструктур и наносистем»
Форма обучения очная
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы ________________________/Ширшова А.В../
«______»___________2011_г.
Рассмотрено на заседании кафедры механики многофазных систем
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем _14_____стр.
Ззав. кафедрой _________________ /Шабаров А.Б./
«_3_____»__сентября__ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ «_3_»_сентября 2011 г., протокол №_2_.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК _________________/Глухих И.Н./
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/Федорова С.А./
«______»_____________2011 г.
2
Ширшова А.В. Физика деформируемого твердого тела. Учебнометодический комплекс. Рабочая программа для студентов направления
011200.68 «Физика», магистерская программа «Физика наноструктур и
наносистем» очной формы обучения. – Тюмень, 2011. – 14 с.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ:
Физика деформируемого твердого тела [электронный ресурс] / Режим
доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой механики многофазных систем.
Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного
университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: зав. кафедрой механики многофазных
систем, д.т.н., профессор Шабаров А.Б.
© Тюменский государственный университет, 2011.
©Ширшова А.В., 2011.
3
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
следующие разделы:
1. Пояснительная записка
включает
Рабочая программа дисциплины «Физика деформируемого твердого тела»
составлена в соответствии с требованиями к результатам, условиям и
структуре подготовки магистров по циклу общенаучных дисциплин
Федерального государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования по направлению: 011200.68 «Физика»,
магистерская программа «Физика наноструктур и наносистем»
1.1. Цели и задачи дисциплины
Цель освоения дисциплины – дать студентам глубокие специальные
знания, навыки и умения в области физики деформируемого твердого тела
Задачи освоения дисциплины:
- освоение современных методов исследования в области механики и физики
твердого тела;
- изучение методов решения задач с применением компьютерного
моделирования в теории упругости и пластичности;
- обеспечение потребностей рынка труда в высококвалифицированных
специалистах
по
проектированию,
расчету
упругих
и
прочностных
характеристик деталей машин и взаимодействующих между собой элементов
конструкций
1.2 Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Физика деформируемого твердого тела» относится к
Общенаучному циклу (№12.1 М.1 Вариативная часть). Для изучения
дисциплины магистр должен обладать следующими «входными» знаниями,
умениями и компетенциями в области: «Механика сплошной среды» (№4.1
М.1 Вариативная часть); «Компьютерные технологии в нефтегазовом
комплексе» (№1.1 М.1 Вариативная часть)
4
1.3 Компетенции выпускника ООП магистратуры, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО
Процесс
изучения
дисциплины
направлен
на
формирование
следующих компетенций:
- способностью демонстрировать углубленные знания в области
математики и естественных наук (ОК-1);
- способностью демонстрировать углубленные знания в области
гуманитарных и экономических наук (ОК-2);
способностью
самостоятельно
приобретать
с
помощью
информационных технологий и использовать в практической деятельности
новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний,
непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и
углублять своё научное мировоззрение (ОК-3);
- способностью использовать углублённые знания правовых и
этических норм при оценке последствий своей профессиональной
деятельности, при разработке и осуществлении социально-значимых
проектов (ОК-4);
- способностью порождать новые идеи (креативность) (ОК-5);
- способностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный
и общекультурный уровень, добиваться нравственного и физического
совершенствования своей личности (ОК-6);
- способностью адаптироваться к изменению научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности, к
изменению социокультурных и социальных условий деятельности (ОК-7);
- способностью к коммуникации в научной, производственной и
социально-общественной сферах деятельности, свободное владение русским
и иностранным языками как средством делового общения (ОК-8);
- способностью к активной социальной мобильности, способностью к
организации научно-исследовательских и научно-производственных работ,
способностью к управлению научным коллективом (ОК-9);
5
- способностью использовать свободное владение профессиональнопрофилированными знаниями в области информационных технологий,
современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов
Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе
находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-5);
- способностью руководить научно-исследовательской деятельностью
студентов младших курсов и школьников в области физики (ПК-11).
1.4. В результате освоения дисциплины студент должен:
ЗНАТЬ фундаментальные законы механики и основы физики твердого тела,
основные принципы строения твердых тел, современную теорию
дислокаций, динамику упругих твердых тел, реологию, современные
тенденции развития физики твердого тела;
УМЕТЬ правильно выбирать физические законы и расчетные формулы при
решении практических задач, творчески применять знания основ
физики твердого тела и использовать полученные знания в процессе
обучения и работы; применять математические методы, физические е
законы и вычислительную технику для решения практических задач.
ВЛАДЕТЬ приемами и навыками решения конкретных задач в области
физики деформируемого твердого тела, основными элементами
экспериментальных
и
теоретических
методов
физических
исследований
2. Структура и трудоемкость дисциплины
Данная дисциплина изучается в 1-ом семестре. Форма промежуточной
аттестации - экзамен. Общая трудоемкость дисциплины составляет 72 часов,
зачетных единиц 2, (лекции – 18 ч., практические (семинарские) – 18 ч.,
самостоятельная работа – 36 час.).
3. Тематический план
Тематический план. I семестр
Таблица 1
6
Из них в
интерактивной форме
3
Итого часов по теме
2
Самостоятельная
работа
1
Семинарские
(практические)
занятия
недели семестра
Тема
лекции
Виды учебной работы
и самостоятельная
работа, в час.
№
4
5
6
7
Форма
контроля
8
1
2
3
4
5
Принципы строения твердых
тел
Дислокации и дефекты в
кристаллах
Приближенные решения
теории упругости.
Теория пластичности.
в
1
2
2
4
8
4
2-3
2
2
6
10
4
4-7
4
4
10
18
5
8-12
4
5
8
17
6
6
5
8
19
6
18
18
36
72
25
25
Приближенные
решения 13-18
теории пластичности.
Всего
Из них в интерактивной
форме
Устный
опрос
Проверка
домашнего
задания
Контрольная работа
Электронный тест
Контрольная работа
Планирование самостоятельной работы студентов
№
1
2
3
4
5
Таблица 2
Виды СРС
Неделя Объем
обязательные
дополнительные семестр часов
а
Принципы строения
Проработка
Работа с учебной
1
4
твердого тела.
лекций
литературой
Дислокации и дефекты в Выполнение
Доклад2-3
6
кристаллах
домашнего
презентация,
задания
дискуссия
Приближенные решения в Работа с учебной Доклад4-7
10
теории упругости.
литературой.
презентация,
Проработка
дискуссия
лекций
Теория пластичности.
Выполнение
8-12
8
Изучение
домашнего
информации
в
задания
Internet
Темы
Приближенные решения
теории пластичности.
Изучение
информации
Internet
Подготовка
в контрольной
работе
к
13-18
ИТОГО:
8
36
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
Таблица 6
Темы дисциплины
необходимые для изучения
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
Специальные
нанодиагностика
нанотехнологии
и
7
*
*
*
*
2.
Геокриология и механика грунтов
3.
Современные проблемы физики
*
*
*
*
*
*
*
5. Содержание дисциплины
Тема 1. Принципы строения твердого тела. Классификация
твердых тел. Типы связей. Симметрия твердых тел. Кристаллические
решетки и системы. Решетка Бравэ. Миллеровские индексы направлений и
плоскостей. Дифракция излучения на кристалле, методы электронной
микроскопии.
Тема 2. Дислокации и дефекты в кристаллах. Точечные
дефекты в металлах. Твердые растворы. Самодиффузия и диффузия.
Дефекты в ковалентных и ионных кристаллах. Прочность и пластичность
кристаллов. Краевая, винтовая и криволинейная дислокации. Динамика
дислокаций. Дислокации и рост кристаллов. Поверхности раздела и
объемные дефекты. Континуальная теория дислокаций
Тема 3. Приближение решения в теории упругости. Краткие
сведения из теории. Прямоугольные пластинки средней толщины
(статический поперечный изгиб). Круглые пластинки (полярносимметричный
изгиб).
Осесимметричная деформация тонкостенных
оболочек вращения.
Задачи устойчивости (устойчивость пластинок,
устойчивость плоской формы изгиба). Свободные и вынужденные колебания
пластинок. Колебания тонкостенных стержней. Смешанные задачи
устойчивости и динамики стержней и оболочек.
Тема 4. Теория пластичности. Краткие сведения из теории.
Частные случаи условий пластичности. Упруго-пластические деформации
стержней при растяжении и сжатии. Изгиб статически-определимых балок;
случай идеально-пластического материала. Изгиб. Случай степенной
зависимости' напряжений от деформаций. Метод «упругих решений», теория
упруго-пластического изгиба балок. Упруго-пластические осесимметричные
деформации колец, труб. Плоская задача теории пластичности. Упругопластическое свободное кручение стержней. Растекание пластической массы
при осаживании.
Тема 5. Приближенные решения теории пластичности.
Приближенные уравнения равновесия и приближенные условия
пластичности. Несущая способность статически-неопределимых балок и рам.
Несущая способность изгибаемых пластинок .
6. Планы семинарских занятий
1. Решение задач по структурной кристаллографии.
2. Решение задач на использование геометрических уравнений.
3. Оценка элементарных решений сопротивления материалов с позиций
уравнений механики сплошной среды.
4. Решение контактных задач.
5. Решение задач на кручение стержней, изгиб стержней.
8
6. Задачи устойчивости (устойчивость пластинок, устойчивость плоской
формы изгиба).
7. Смешанные задачи устойчивости и динамики стержней и оболочек.
8. Решение задач изгиба статически-определимых балок; случай идеальнопластического материала.
9. Метод «упругих решений», теория упруго-пластического изгиба балок.
10.Решение плоской задачи теории пластичности.
7. Вопросы к экзамену
1. Модель несжимаемых шаров. Газ и конденсированная система.
2. Ближний порядок. Функция радиального распределения частиц.
3. Дальний порядок. Когерентность.
4. Структурные переходы.
5. Конденсация модельной системы.
6. Симметрия
7. Плотные шаровые упаковки.
8. Типы связей.
9. Термодинамика фазового перехода первого рода.
10. Кристаллизация. Влияние стенок и примесей.
11. Кинетика процесса кристаллизации.
12. Стеклование.
13. Аморфизация
14. Жидкие кристаллы.
15. Идеальный и реальный кристалл.
16. Типы точечных дефектов и механизм их образования.
17. Саммодиффузия и диффузия в кристаллической матрице.
18. Прочность и пластичность кристаллов.
19. Учет дефектов структуры.
20. Типы дислокаций.
21. Континуальная теория дислокаций.
22. Модель сплошной среды.
23. Деформация и поворот.
24. Динамика дислокаций
25. Реологические модели
26. Линейная вязкоуругость
27. Пластические материалы.
28. Идеальная жидкость
29. Вязкая жидкость
30. Ползучесть металлов.
8. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
8.1. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
9
Рабочей программой дисциплины «Физика деформируемого твердого
тела» предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме 36 часов. В
соответствии с «Положением о самостоятельной работе студентов в ГОУ
ВПО «Тюменский государственный университет»», под самостоятельной
работой
студентов
исследовательская
(далее
и
СРС)
понимается
общественно-значимая
«учебная,
деятельность
научностудентов,
направленная на развитие общих и профессиональных компетенций, которая
осуществляется без непосредственного участия преподавателя, хотя и
направляется им» (П. 1.3).
Студентам
предлагаются
следующие
формы
обязательной
и
дополнительной самостоятельной работы:
- проработка материалов лекций;
- изучение информации в Internet;
- изучение информации в электронной библиотеке кафедры ММС ТюмГУ;
- работа с учебной литературой из раздела 10;
- самостоятельное решение задач из методических указаний (5) раздела 10;
- подготовка к написанию контрольных работ;
- подготовка к выступлению по теме на практических занятиях;
-подготовка доклада и презентации;
- работа с российскими и иностранными статьями;
Планирование самостоятельной работы приведено в табл. 3. Учебнометодическое обеспечение СРС приведено в основной и дополнительной
литературе
Результаты
самостоятельной
творческой
работы
могут
быть
представлены в форме: домашнего задания, выступления, презентации,
доклада по теме, реферата, контрольной работы.
8.2. Формы вопросов и заданий для проведения текущего и
заключительного контроля по итогам освоения дисциплины
10
В качестве форм текущей аттестации используются такие формы, как
устные опросы, проверка домашних заданий, контрольных работ.
Заключительный контроль (экзамен) проводится в устно-письменной
форме. Экзамен включает составление письменного ответа на вопрос из
перечня, предлагаемого в пункте 7, решение задачи, а также беседу с
преподавателем.
9. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных
видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Физика
деформируемого твердого тела» предусматривается использование в учебном
процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:
 лекции
 практические занятия
 работа в малых группах.
Данный УМК предусматривает применение активных и интерактивных форм
обучения в объеме не менее 30% от общего количества аудиторных часов.
10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
10.1. Основная литература
1. Жданов Г.С., Хунджуа А.Г. Лекции по физике твердого тела. – М.: Изд-во
МГУ, 1988. – 461 с.
2. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела, т.1-2. – М.: Наука, 1979. –
450 с.
3. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Наука. 2001. – 530 с.
4. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.1-2. – М.: Наука, 1994.
5. Ширшова А.В. «Структурная кристаллография». Методические указания к
практическим занятиям по курсу «Физика твердого тела» – Тюмень: Издво ТюмГУ, 2005. – 30 с.
6. Елисеев В.В. Механика деформируемого твердого тела. – СПб.: Лань,
2006. – 231 с.
10.2. Дополнительная литература
1. Вонсовский С.В., Кацнельсон М.И. Квантовая физика твердого тела. – М.:
Наука, 1983. – 235 с.
2. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Наука, 1975. – 695 с.
3. Де Вит Р. Континуальная теория дислокаций. – М.: Мир, 1977. – 208 с.
10.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
11
1. Электронная
библиотека
Попечительского
совета
механико-
математического факультета Московского государственного университета
http://lib.mexmat.ru
2. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/
3. Электронная
библиотека
технической
литературы
«Нефть
и
газ»
http://libtech.utmn/ru
10.Технические средства и материально-техническое
обеспечение дисциплины
- Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием.
- Компьютерный класс.
Дополнения и изменения к рабочей программе
на 201 / 201 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры
____________________ «
»_______________201 г.
Заведующий кафедрой ___________________/Шабаров А.Б./
Роспись
12
Ф.И.О.