Элементы квантовой электроники

Спонтанное и вынужденное излучения фотонов. Вероятность переходов. Принцип работы квантового генератора. Особенности лазерного излучения. Применение лазеров. - 2 часа.

Элементы квантовой статистики и физики твердого тела

Акустические и оптические колебания кристаллической решетки. Понятие о фотонах. Теплоемкость кристаллической решетки. Внутренняя энергия и теплоемкость электронного газа в металлах.

Элементы зонной теории кристаллов. Энергетические зоны в кристаллах. Валентная зона и зона проводимости. Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники.

Понятие о квантовых статистиках Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Функции распределения. Уровень Ферми. Электропроводность металлов. Носители тока в металлах. Недостаточность классической электронной теории. Электронный ферми-газ в металле. Основы квантовой теории электропроводности металлов. Явление сверхпроводимости.

Куперовское спаривание электронов. Туннельный контакт. Эффект Джозефсона и его применение.

Собственная проводимость полупроводников. Примесная проводимость полупроводников. P - n переход и его свойства. - 8 часов.

 

Атомное ядро. Элементарные частицы

Строение атомных ядер. Модели ядер. Энергия связи. Взаимодействие нуклонов в ядре, свойства и природа ядерных сил.

Естественная и искусственная радиоактивности. Закон радиоактивного распада. Правила смещения. α- β- распады, γ-излучения.

Ядерные реакции. Реакция деления. Цепная реакция. Ядерный реактор. Термоядерный синтез. Энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез.

Элементарные частицы. Систематика элементарных частиц. Типы взаимодействия. Космические лучи. - 6 часов.

3. АУДИТОРНЫЕ И ВНЕАУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ

3.1.Распределение часов по видам занятий

Вид занятий и отчетности	Часы
I семестр 1. Лекции 2. Практические занятия 3. Лабораторные занятия 4. Всего аудиторных 5. Экзамен
II семестр 1. Лекции 2. Практические занятия 3. Лабораторные занятия 4. Всего аудиторных 5. Экзамен
III семестр 1. Лекции 2. Практические занятия 3. Лабораторные занятия 4. Всего аудиторных 5. Экзамен

 

3.2.Распределение часов по видам аудиторных занятий и СРС

1.Направления подготовки бакалавров: 552800. Направления подготовки специалистов: 654600, 654700, 657500.

Разделы дисциплины	Аудиторные занятия	СРС	Всего
Лекции	Практ.	Лабор
I семестр 1. Физические основы механики 2. Механика колебаний и волн 3. Статистическая физика и термодинамика Итого за семестр
II семестр 1. Электричество 2. Магнетизм Итого за семестр
III семестр 1. Волновая оптика 2. Квантовая физика ядра, атома, молекулы и твердого тела Итого за семестр
Итого

2. Направление подготовки дипломированных специалистов: 654400.

Разделы дисциплины	Аудиторные занятия	СРС	Всего
Лекции	Практ.	Лабор
I семестр 1. Физические основы механики 2. Механика колебаний и волн 3. Статистическая физика и термодинамика Итого за семестр
II семестр 1. Электричество 2. Магнетизм Итого за семестр
III семестр 1. Волновая оптика 2. Квантовая физика ядра, атома, молекулы и твердого тела Итого за семестр
Итого
1. Физические основы полупроводников и диэлектриков.

Итого: 270 365 635

 

3. Направления подготовки бакалавров: 551300, 551500. Направления подготовки дипломированных специалистов: 653700, 654500, 650900.

Разделы дисциплины	Аудиторные занятия	СРС	Всего
Лекции	Практ.	Лабор
I семестр 1. Физические основы механики 2. Механика колебаний и волн 3. Статистическая физика и термодинамика Итого за семестр
II семестр 1. Электричество 2.Магнетизм Итого за семестр
III семестр 1. Волновая оптика 2. Квантовая физика ядра, атома, молекулы и твердого тела Итого за семестр
Итого

4. Направление подготовки дипломированных специалистов: 653900.

Разделы дисциплины	Аудиторные занятия	СРС	Всего
Лекции	Практ.	Лабор
I семестр 1.Физические основы механики 2. Механика колебаний и волн 3. Статистическая физика и термодинамика Итого за семестр
II семестр 1. Электричество 2. Магнетизм Итого за семестр
III семестр 1. Волновая оптика 2. Квантовая физика ядра, атома, молекулы и твердого тела Итого за семестр
Итого
1. Теория электромагнитного поля

Итого: 258 292 550

 

5. Направления подготовки бакалавров: 550700. Направления подготовки дипломированных специалистов: 654100.

Разделы дисциплины	Аудиторные занятия	СРС	Всего
Лекции	Практ.	Лабор
I семестр 1. Физические основы механики 2. Механика колебаний и волн 3. Статистическая физика и термодинамика Итого за семестр
II семестр 1. Электричество 2.Магнетизм Итого за семестр
III семестр 1. Волновая оптика 2. Квантовая физика ядра, атома, молекулы и твердого тела Итого за семестр
Итого

 

3.3.Темы практических занятий

Распределение часов по темам занятий

3.3.1. Физические основы механики -12 часов.

3.3.1.1. Кинематика поступательного и вращательного движения (2 часа).

3.3.1.2. Динамика поступательного движения. Законы сохранения (4 часа).

3.3.1.3. Твердое тело в механике (4 часа).

3.3.1.4. Кинематика и динамика гармонических колебаний. Механические волны (2 часа).

3.3.2. Статистическая физика и термодинамика - 4 часа.

3.3.2.1. Законы идеального газа. Элементы молекулярно-кинетической теории (2 часа).

3.3.2.2. Законы термодинамики (2 часа).

3.3.3. Электричество - 6 часов.

3.3.3.1. Электростатическое поле в вакууме и в веществе (4 часа).

3.3.3.2. Законы постоянного тока (2 часа).

3.3.4. Магнетизм - 8 часов.

3.3.4.1. Магнитное поле в вакууме и в веществе. Явление электромагнитной индукции (6 часов).

3.3.4.2. Электромагнитные колебания и волны (2 часа).

3.3.5. Волновая оптика

3.3.5.1. Интерференция света, дифракция света, поляризация света (4 часа).

3.3.6. Квантовая физика ядра, атома, молекулы и твердого тела

3.3.6.1. Тепловое излучение, фотоэффект, давление света (2 часа)

3.3.6.2. Атом водорода по теории Бора. Закономерности в атомных спектрах (2 часа).

3.3.6.3. Волновые свойства микрочастиц. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Квантовые состояния. Уравнение Шредингера (4 часа).

3.3.6.4. Строение атомного ядра, радиоактивность (2 часа).

 

Перечень лабораторных работ.

В течение каждого семестра студенты выполняют по 8 лабораторных работ из нижеприведенного перечня, включая работы по моделированию физических процессов (см. п.3.5).

1 семестр:

1. “ Определение моментов инерции твердых тел методом трифилярного подвеса ”

2. “ Изучение законов сохранения момента импульса и энергии ”

3. “ Изучение законов вращательного движения твердых тел ”

4. “ Определение момента инерции твердых тел с помощью крутильных колебаний ”

5. “ Определение моментов инерции тел произвольной формы ”

6. “ Изучение законов поступательного движения ”

7. “ Изучение упругого и неупругого столкновений шаров ”

9. “ Определение ускорения свободного падения с помощью математического и физического маятников ”

10. “ Изучение колебаний пружинного маятника ”

11. “ Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн ”

12. “ Определение ускорения силы тяжести при свободном падении тела ”

13. “ Изучение закона сохранения механической энергии ”

14. “ Наклонный маятник ”

16. “ Определение коэффициента Пуассона воздуха методом адиабатического расширения ”

17. “ Экспериментальная проверка уравнения состояния и законов идеального газа ”

21. “ Исследование температурной зависимости удельной теплоемкости алюминия методом охлаждения

23. “ Определение коэффициента вязкости воздуха и кинематических характеристик теплового движения его молекул ”

28. “ Определение удельной теплоты плавления олова и изменения его энтропии при нагревании и плавлении ”

116. “ Определение отношения теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме ”

119. “ Определение отношения теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме резонансным методом ”

122. “ Определение теплоты парообразования воды ”

123. “ Определение коэффициента вязкости воздуха капиллярным методом ”

124. “ Определение молярной массы и плотности газа методом откачки ”

125. “ Определение теплоемкости твердых тел ”

127. “ Определение коэффициента теплопроводности газа методом нагретой нити ”

128. “ Определение изменения энтропии твердого тела при его нагревании и плавлении ”

130. “ Определение коэффициента взаимной диффузии воздуха и паров воды по скорости испарения жидкости ”

2 семестр:

31. “ Исследование электростатического поля ”

32. “ Изучение законов постоянного тока ”

33. “ Изучение законов постоянного тока исследование зависимости КПД источника тока от сопротивления нагрузки ”

35. “ Изучение явления термоэлектронной эмиссии и определение удельного заряда электрона ”

36. “ Изучение термоэлектронной эмиссии металлов. Определение работы выхода электрона ”

37. “ Изучение процессов заряда и разряда конденсатора ”

38. “ Изучение электрических свойств твердых диэлектриков ”

39. “ Определение электродвижущей силы источника ”

41. “ Изучение газового разряда ”

42. “ Определение емкости конденсатора методом перезарядки ”

43. “ Изучение диэлектрических свойств сегнетоэлектриков ”

45. “ Определение ЭДС источника тока ”

46. “Определениеудельного заряда электрона методом магнетрона”

47. “Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли”

48. ”Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре”

49. ‘Изучение вынужденных колебаний в электрическом контуре”

50. ‘Изучение электронно-лучевого осциллографа”

52. “Изучение свойств ферромагнетиков и явления магнитного гистерезиса для железа”

53. “ Изучение магнитного поля соленоида ”

54. “ Изучение явления взаимной индукции ”

56. “ Изучение эффекта Холла ”

57. “ Изучение вихревого электрического поля ”

58. “ Изучение электрических процессов в простых линейных цепях ”

59. “ Изучение электрических колебаний в связанных контурах ”

60. “ Изучение магнитного поля прямолинейного тока ”

3 семестр:

61. “ Изучение интерференции света”

62. “ Определение показателей преломления жидких и твердых тел”

64. “ Экспериментальное изучение законов теплового излучения”

65. “ Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки”

66. “ Изучение поляризованного света и внутренних напряжений в твердых телах оптическим методом”

67. “ Изучение дисперсии света”

68. “ Изучение поглощения света веществом”

69. “ Изучение дифракции света на двумерной дифракционной решетке”

70. “ Изучение вращения плоскости поляризации в растворах оптически активных веществ”

71. “ Изучение законов теплового излучения”

73. “ Изучение дифракции света на простейших преградах и дифракционной решетке”

76. “ Изучение спектра водорода”

77. “ Качественный и полуколичественный спектральный анализ сплавов”

78. “ Исследование полупроводникового диода”

79. “ Изучение статических характеристик и определение коэффициента усиления транзистора”

80. “ Исследование температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников”

81. “ Изучение характеристики счетчика Гейгера-Мюллера и поглощения радиоактивного излучения в веществе”

84. “ Опыт Франка и Герца ”

85. “ Дифракция электронов”

86. “ Исследование зависимости теплового излучения абсолютно черного тела от температуры”

87. “ Изучение принципа работы туннельного диода”

88. “ Исследование космического излучения”

89. “ Изучение пробега β-частиц в воздухе”

92. “Экспериментальное определение соотношения неопределенностей для фотонов”

93. “ Изучение явления внешнего фотоэффекта”

 

3.5. Перечень лабораторных работ, выполняемых на ПЭВМ

1.Анализ движения тела, брошенного под углом к горизонту с учетом силы сопротивления воздуха.

2.Моделирование процесса столкновения двух шаров.

3.Изучение механических колебаний.

4.Моделирование опыта Перрена.

5.Изучение явления эффузии.

6.Моделирование стахостических траекторий движения молекул в газе.

7.Тепловые машины и цикл Карно.

8.Изучение числовых характеристик протона, ускоренного в линейном ускорителе.

9.Опыт Штерна по определению скоростей атомов.

10.Силовые линии электрического поля.

11.Механические Колебания.

12.Анализ характеристик электрического поля точечных зарядов.

13.Моделирование движения заряженных частиц во взаимно перпендикулярных полях.

14.Расчет зависимости поляризации сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля при критических температурах.

15.Расчет параметров траектории движения заряженной частицы в однородном магнитном поле.

16.Расчет зависимости намагниченности ферромагнетика от напряженности магнитного поля.

17.Моделирование опыта Миллекена.

18.Электрические колебания.

19.Дифракция.

20.Дисперсия.

21.Фотоэффект.

22.Интерференция.

23.Моделирование явления интерференции.

24.Интерференция Юнга.

25.Законы отражения и преломления.

26.Моделирование дифракции Фраунгофера на одной щели.

27.Расчет распределения энергии излучения в спектре абсолютно черного тела.

28.Атом Бора.

29.Частицы (лептоны, спектры). Формула Мозли.

30.Радиоактивный распад.

31.Эффект Мессбауэра.

32.Одномерные задачи квантовой физики.

33.Моделирование дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках кубической сингонии.

34.Расчет волновой функции радиального распределения электронной плотности в случае водородоподобных атомов.

35.Моделирование работы камеры Вильсона.

36.Принцип работы лазера.

37.Определение скорости звука методом стоячей волны.

38.Моделирование опыта Майкельсона.

39.Моделирование движения системы взаимодействующих частиц методом молекулярной динамики.

40.Принцип Гюйгенса и законы геометрической оптики.

 

3.6. Внеаудиторная самостоятельная работа

 

Назначением самостоятельной работы студентов является закрепление сведений, полученных ими в ходе лекционных, практических и лабораторных занятий. Реальная самостоятельная работа является исключительно важным моментом в деле эффективного усвоения материала.

В процессе самостоятельной работы у студента наиболее четко возникает необходимость целостного, системного восприятия содержания разных видов аудиторных занятий, потребность привлечения дополнительных сведений из рекомендованной учебной и методической литературы, просмотра и изучения записей, сделанных на всех видах аудиторных занятий.

 

3.6.1 Виды самостоятельной работы

3.6.1.1. Изучение теоретического материала, вынесенного на СРС.

3.6.1.2. Подготовка к практическим занятиям, выполнение домашних заданий.

3.6.1.3. Подготовка к выполнению лабораторных работ. Оформление отчетов по лабораторным работам, расчеты физических величин, расчеты их погрешностей, подготовка к защите лабораторных работ.

 

3.6.2. Перечень тем, выносимых на самостоятельное изучение

Семестр

1. О смысле производной и интеграла в приложении к физическим задачам

2. Система центра инерции. Движение в центральном поле. Законы Кеплера.

3. Элементы механики сплошных сред. Общие свойства жидкостей и газов. Уравнения равновесия и движения жидкости. Идеальная и вязкая жидкость. Гидростатика несжимаемой жидкости. Уравнение Бернулли. Гидродинамика вязкой жидкости. Коэффициент вязкости. Течение по трубе. Формула Пуазейля. Закон подобия. Формула Стокса.

4. Идеально упругое тело. Упругие деформации и напряжения. Закон Гука. Пластические деформации. Предел прочности.

5. Параметрические колебания осциллятора. Энергетические соотношения. Параметрический резонанс. Автоколебания.

Семестр

1. Электрический ток в сплошной среде. Заземление линий электропередач.

2. Электрический ток в вакууме. Применение термоэлектронной эмиссии.

3. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации. Электропроводность слабоионизированных газов. Самостоятельный газовый разряд и его виды.

4. Граничные условия на поверхности раздела двух магнетиков.

5. Типы жидких кристаллов. Поведение в электрическом и магнитном полях. Применение жидких кристаллов.

6. Квазистационарное электромагнитное поле. Условие малости токов смещения. Токи Фуко. Квазистационарные явления в линейных проводниках. Установление и исчезновение тока в цепи. Генератор переменного тока.

7. Преобразование и детектирование электрических колебаний. Автоколебания. Обратная связь. Регенерация. Фазовая плоскость генератора, предельные циклы. Понятие о релаксационных колебаниях.

8. Релятивистское преобразование полей, зарядов, токов. Относительность магнитных и электрических полей.

Семестр

1. Применение интерференции: интерференционная рефрактометрия, контроль за чистотой обрабатываемой поверхности, просветление оптики, создание высокоотражающих покрытий.

2. Элементы нелинейной оптики: самофокусировка света, генерация оптических гармоник, многофотонные процессы.

3. Оптическая пирометрия. Типы пирометров: радиационный, цветовой, пирометр с исчезающей нитью.

4. Применение фотоэффекта: фотоэлементы, фотоумножители.

5. Спектры водородоподобных атомов.

6. Исследование кристаллических структур методами рентгено-, электроно-, нейтронографии. Точечные дефекты в кристаллах. Дислокации.

7. Полупроводниковые диоды. Транзисторы.

8. Искусственная радиоактивность. Изотопы. Применение изотопов.

9. Вещество при сверхвысоких температурах и сверхвысоких плотностях. Карликовые белые звезды. Пульсары.

 

 

4. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

4.1. Литература основная

1. Бондарев Б.В., Калашников Н.П., Спирин Г.Г. Курс общей физики. Кн. 1, 2, 3. – М.: Высшая школа, 2003.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002.

4. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 1, 2, 3, 4, 5. – М.: Наука, 1998-1999.

5. Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики. – М.: Гардарика, 1998.

6. Волькенштейн В. С. Сборник задач по общему курсу физики. – СПб: Спец.Лит., 2003.

7. Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по курсу физики с решениями. – М.: Высшая школа, 2002.

8. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Высшая школа, 1997.

9. Бигаева А.Р., Хайретдинова А.К. Сборник тестовых заданий по разделам «Физические основы механики», «Молекулярная физика и термодинамика» для самостоятельной работы студентов. – Уфа, 1998.

10. Сагитова Э.В., Строкина В.Р. Сборник тестовых заданий по разделу «Электричество и магнетизм» для самостоятельной работы студентов. – Уфа, 1997.

11. Сагитова Э.В., Строкина В.Р., Хайретдинова А.К. Сборник тестовых заданий по разделу «Волновая и квантовая оптика» для самостоятельной работы студентов. – Уфа, 1998.

12. Сагитова Э.В., Строкина В.Р., Хайретдинова А.К. Сборник тестовых заданий по разделам «Элементы квантовой теории», «Основы атомной и ядерной физики». – Уфа, 2003.

13. Трофимова Е. В. Механика. Методические указания к практическим занятиям по курсу общей физики. – Уфа, 2003.

14. Шатохин С. А., Сагитова Э.В. Основы молекулярной физики и термодинамики. Методические указания к практическим занятиям по курсу общей физики. – Уфа, 2005.

15. Строкина В.Р., Шатохин С. А. Электричество и магнетизм. Методические указания к практическим занятиям по курсу общей физики. – Уфа, 2003.

16. Хайретдинова А.К., Шатохин С. А. Волновая и квантовая оптика. Методические указания к практическим занятиям по курсу общей физики. – Уфа, 2003.

17. Хайретдинова А.К., Шатохин С. А. Строение атома. Методические указания к практическим занятиям по курсу общей физики. – Уфа, 2005.

 

4.2. Литература дополнительная

1. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977.

2. Сивухин Д. В. Общий курс физики в 5 томах. – М.: Наука, 1990.

3. Киттель Ч. и др. Берклеевский курс физики в 5 томах. – М.: Наука, 1971-1974.

4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. – М.: Мир, 1967-1978.

 

4.3. Методические рекомендации по преподаванию дисциплины

Кафедра физики придерживается линии преподавания единого курса физики для всех технических специальностей университета, основываясь на том, что студенты в процессе изучения курса физики должен приобрести целостную систему знаний, формирующих у них физическую картину мира. Порядок расположения материала в программе соответствует современной структуре физики как науки и отражает мировой педагогический опыт.

При изучении каждого раздела курса физики предусматривается изложение теоретического материала на лекциях. Полученные теоретические знания подкрепляются на практических и лабораторных занятиях. Студенты на практических занятиях должны овладеть практическими навыками в решении задач такой степени, чтобы в дальнейшем использовать их как при освоении общетеоретических и специальных дисциплин, так и в будущей своей деятельности. На лабораторных занятиях студенты знакомятся с современной научной аппаратурой, формируют навыки проведения физического эксперимента, учатся выделять конкретное физическое содержание в прикладных задачах их будущей специальности.

С целью своевременного определения уровня знаний и умений студентов на кафедре разработана развернутая система контроля, предусматривающая текущий, рубежный их контроль на всех практических и лабораторных занятиях.