Как проходят лабораторные по общей физике у студентов бакалавриата

Одна из основных дисциплин бакалаврской программы “Физика” — это курс общей физики. За два первых года студенты получают крепкую базу и определяются с дальнейшей специализацией. Традиционно курс общей физики состоит из лекционных, семинарских и лабораторных занятий. Как в Питерской Вышке проходят лабораторные и на каком оборудовании занимаются студенты, рассказал заведующий учебной лабораторией Никита Александрович Богословский.

Анна Зырянова

Никита Александрович Богословский — кандидат физико-математических наук, доцент департамента физики НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург. Никита Александрович работает научным сотрудником в лаборатории Фотоэлектрических явлений в полупроводниках Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН. Преподает физику в академическом лицее «Физико-техническая школа», является председателем жюри экспериментального тура регионального этапа Всероссийской олимпиады школьников по физике и членом жюри международной олимпиады по экспериментальной физике (IEPhO).

Курс общей физики занимает четыре семестра. На первом году обучения студенты проходят механику и электричество, на втором — термодинамику и оптику. Этот курс во многом пересекается со школьной программой, но в университете он рассчитан на значительно более серьезный математический аппарат. Параллельно ребята изучают матанализ и алгебру, у них появляется больше возможностей что-то посчитать. 

Курс состоит из лекций, семинаров и лабораторных работ. На лекциях обсуждается теория, а на лабораторных работах можно все “пощупать руками”, самостоятельно провести эксперименты и пронаблюдать закономерности. Наши лабораторные проходят так: дома, заранее, ребята готовятся —  повторяют теорию, изучают описание работы, цели и задачи. Потом они приходят в учебную лабораторию, знакомятся с установкой и используемыми приборами, и, собственно, проводят эксперимент. После выполнения работы студенты пишут отчет, в котором анализируют полученные результаты и сравнивают их с теорией. Если результаты эксперимента с теорией не согласуются, нужно объяснить, в чем причина. Кажется, что это самое интересное — разбираться, что пошло не так.

Сейчас идет второй семестр, наши первокурсники проходят электричество. У нас собрано несколько лабораторных стендов. Три лабораторные работы мы купили готовые, немецкой фирмы Phywe. Это работы по измерению магнитного поля Земли, эффекту Холла и удельного заряда электрона. Про последнюю расскажу чуть подробнее. В вакуумной трубке стоит электронная пушка, которая стреляет электронами. В магнитном поле они летят по изогнутой траектории, по радиусу которой можно определить удельный заряд частиц. Прелесть этой установки в том, что внутри колбы закачан газ под небольшим давлением, благодаря этому можно видеть траекторию электронного пучка. 

Другую часть стендов мы сделали сами. Для этого приобрели приборы высокого уровня: источники тока, генераторы, осциллографы, мультиметры. Все эти приборы новые, были закуплены специально к запуску бакалаврской программы.

У нас есть довольно много лабораторных работ по разным видам колебаний. Например, есть стенд по релаксационным колебаниям. В электрической цепи заряжается конденсатор, параллельно которому включена лампа, газовый стабилитрон. Конденсатор заряжается и когда напряжение на нем становится достаточно большим, в лампе происходит пробой. Конденсатор разряжается через эту лампу, напряжение падает, и лампа гаснет. Потом начинается второй цикл: конденсатор заряжается, возникает пробой, разряжается. Это и есть электрические релаксационные колебания. 

Есть работа по свободным колебаниям с затуханием. Конденсатор заряжается, потом его отключают от генератора, после чего происходят свободные электрические колебания, которые постепенно затухают. По частоте колебаний и скорости затухания мы можем определить параметры контура: сопротивление катушки и резистора, добротность контура и т.д. В другой работе студенты исследуют спектры электрических сигналов на анализаторе спектра, могут разложить эти колебания в ряд Фурье. Эта лабораторная работа очень полезна для понимания курса математической физики, который у ребят будет чуть позже.

У нас очень классные студенты. Многие ребята после школы пришли с очень высоким уровнем подготовки. Они делают интересные вещи. Например, в первом семестре студенты сами усовершенствовали некоторые лабораторные работы по механике. В работе по исследованию гироскопа принесли датчики для Arduino, измерили скорость вращения и прецессии гироскопа с помощью этих датчиков. Или была еще одна простая работа: в сосуде с глицерином падает шарик, нужно было определить вязкость глицерина. Это можно делать очень по-разному: кто-то измерял линейкой и секундомером, а кто-то снял на телефон, сам написал программу для обработки видео и так определил, на какой высоте находился шарик. В общем, наши студенты большие молодцы.

К следующему учебному году мы расширим лабораторию: в одном зале будут стоять работы для первокурсников, в другом — для второкурсников. Еще здесь есть небольшая аудитория с доской: можно что-то обсуждать, решать задачи, проводить семинары.