Teoretična fizika
Cilji in predmetno specifične kompetence
Predmet seznani študente z osnovnimi fizikalnimi teorijami. Uči jih matematičnega opisa in razumevanja fizikalnih pojavov ter samostojnega reševanja preprostih fizikalnih problemov-to je analize problema, iskanja enačb gibanja in robnih pogojev za dani problem, razpoznavanja simetrij, reševanje enačb ter interpretacije rešitev. Pregledno jih seznani z uporabnostjo matematičnih modelov in teorij na različnih področjih fizike in z omejeno veljavnostjo modelov in teorij. Navdušuje jih za iskanje pojavov v naravoslovju, za opis katerih so matematična znanja, ki so si jih pridobili med študijem, uporabna. Zato je poseben poudarek na ilustracijah s številnimi primeri z vseh področij fizike.Opis vsebine
- Kratek pregled dogajanja na vseh fizikalnih področjih od fizike osnovnih delcev do kozmologije. Predstavitev odprtih problemov v fiziki in načinov, kako se lotevamo iskanja odgovorov na odprta vprašanja v fiziki.
- Osnovne konstante v fiziki. Simetrije fizikalnih zakonov. Področja veljavnosti klasične nerelativistične in relativistične mehanike ter kvantne relativistične in nerelativistične mehanike.
- Osnove klasične mehanike.
Princip najmanjše akcije, Lagrangeove enačbe gibanja in ohranitveni zakoni. Točkast delec in sistem točkastih delcev, gibanje v eni dimenziji in gibanje v centralno simetričnem potencialu v treh dimenzijah. Sipanje delcev na centralno simetričnih potencialih. Sipalni preseki in doseg potencialov. - Majhne oscilacije harmonskih oscilatorjev, vzbujevanih harmonskih oscilatorjev in oscilatorjev s trenjem. (Gibanje togega telesa.)
- Hamiltonove in Hamilton-Jacobijeve enačbe. Fazni prostor.
- Posebna teorija relativnosti. Princip relativnosti in metrika Minkovskega. Lorentzove transformacije. Ohranitveni zakoni v relativistični mehaniki. Skalarji, vektorji, tenzorji. Relativistične enačbe gibanja v eni dimenziji. Reakcije in konstante gibanja.
- Elektrodinamika. Delec v elektromagnetnem polju, vektor četverec elektromagnetnega polja, Lagrangeova funkcija in enačbe gibanja, Lorentzov zakon. Prosto elektromagnetno polje, tenzor elektromagnetnega polja in Lagrangeova gostota. Maxwellove enačbe za prosto polje in za polje z izviri. Konstantno elektromagnetno polje točkastih izvirov, elektrostatska energija sistema. (Polje stacionarnih tokov. Multipolni momenti. Elektromagnetno valovanje. Polarizirana svetloba. Geometrijska optika. Fouriereva analiza in spekter. Interferenca. Nelinearni pojavi.)
- Splošna teorija relativnosti Gravitacijska sila. Newtonova mehanika in homogeni model vesolja. ekvivalenčni princip. (Metrični tenzor, Lagrangeova funkcija in enačbe gibanja. Splošne koordinatne transformacije, skalarji, vektorji, tenzorji. Kovarijantni odvod. Riemannov tenzor, Lagrangeova funkcija za prosto gravitacijsko polje. Einsteinove enačbe gibanja. Schwarzschildova rešitev.)
- (Mehanika kontinuumov.Hidrodinamika. Makroskopski opis gibanja tekočine, hitrostno polje. Eulerjeve enačbe gibanja za idealno tekočino. Hidrostatika. Potencialno gibanje nestisljive tekočine, hitrostna polja izvirov in ponorov.)
V oklepajih so navedena poglavja, med katerimi študentje lahko izbirajo.
Temeljna literatura
- M. Mizushima: Theoretical physics, Wiley, New York, 1972.
- A. S. Kompaneec: Teoretičeskaja fizika, Moskva, 1961.
- L.D.Landau, E.M.Lifshitz: Mechanics and electrodynamics, Butterworth Heineman, 1996.
- The Feynman lectures on physics, Addison - Wesley,Massachusetts, 1966.
Predvideni študijski dosežki
Znanje in razumevanje
Med znanja, ki jih naj študent osvoji, sodi spoznanje, da za uporabo matematičnih znanj v fiziki skoraj ni omejitve. Nauči se analizirati preproste fizikalne probleme, jih opisati z matematičnimi modeli in interpretirati rezultate. Tega brez razumevanja ne more opraviti. Ob tem pa utrdi znanje matematike in poglobi razumevanje.
Uporaba
Vsaj nekaj pri tem predmetu pridobljenega znanja bo kot učitelj lahko prenesel na dijake. Širše poznavanje problemov pa mu bo pomagalo, da bo probleme dijakom predstavil pregledno, preprosto in zanimivo. Znanje bo koristno uporabil tudi, kdor bo delo učitelja zamenjal za delo v gospodarstvu.
Refleksija
Uporaba že osvojenih matematičnih znanj pomaga študentu poglobiti razumevanje matematičnih problemov, hkrati pa mu pokaže nove močnosti za uporabo matematičnih znanj.
Prenosljive spretnosti – niso vezane le na en predmet
Sposobnost opaziti problem, ga analizirati, poiskati način reševanja problema in razpoznati, ali je rešitev, ki jo je našel, smiselna.
Metode poučevanja in učenja
Poleg predavanj in vaj opravijo študentje tudi domače naloge in eno seminarsko nalogo, pri kateri se študent skupaj z učiteljem ali asistentom loti nekega konkretnega problema, ga analizira, poišče zanj primeren model za opis problema, poišče ustrezne enačbe gibanja ter robne in začetne pogoje. Enačbe reši analitično ali numerično. Interpretira rešitev. Študent izbere bodisi med problemi, ki mu jih predlagata učitelj in asistent ali pa nalogo predlaga sam.Pogoji za vključitev v delo oziroma za opravljanje študijskih obveznosti
/Metode ocenjevanja in ocenjevalna lestvica
- K oceni iz vaj prispevajo ocene dveh uspešno opravljenih pisnih kolokvijev, aktivno sodelovanje pri vajah in uspešno opravljene domače naloge ali pa pisni izpit. Študentje imajo možnost popraviti oceno iz vaj tudi na popravnem kolokviju. K oceni izpita poleg ustnega zagovora znanja prinese tudi ocena uspešnosti branitve seminarske naloge.
- Ocene: 1-5 (negativno), 6-10 (pozitivno) (po Statutu UL).
Metode evalvacije kakovosti
- Študentska anketa (univerzitetna in interna), samoevalvacija.
- Uspešnost prenosa znanja merimo s študentskimi anketami, s sprotnim spremljanjem napredka študentov z domačimi nalogami, s pisnimi kolokviji, s pogovori na govorilnih urah, z diskusijami ob rednih predavanjih.