Введение в радиофизику - Общие сведения кафедры

Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный университет
Физический факультет
Рассмотрено и рекомендовано
на заседании кафедры
радиофизики
УТВЕРЖДАЮ
декан факультета
________________ А.С. Чирцов
Протокол от 11.10.2005 № 6
Заведующий кафедрой
_____________________Н.Н.Зернов
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Введение в радиофизику»
Специальность 013900 (СД.Р.01)
Направление 010800 (ОПД.Р.01)
Разработчики:
профессор, докт.физ.-мат.наук _________________ А.В. Тюхтин
Рецензент:
профессор, докт.физ.-мат.наук _________________ В.В.Новиков
Санкт - Петербург - 2005 г.
1. Организационно-методический раздел
Цель изучения дисциплины: Первоначальное ознакомление студентов с радиофизикой как наукой о колебательно-волновых процессах различной природы и методах их
применения в разных областях науки и практики.
1.2.
Задачи курса: Ознакомление студентов с радиофизикой как наукой о колебательноволновых процессах; описание основных разделов радиофизики; качественное описание некоторых характерных эффектов в области физики колебаний и волн; ознакомление студентов с научной работой кафедры.
1.3.
Место курса в профессиональной подготовке выпускника:
Дисциплина “Введение в радиофизику” позволяет студентам получить представление
об основных разделах радиофизики и научной деятельности кафедры, что способствует правильному выбору направления для научной работы.
1.4. Требования к уровню освоения дисциплины "Введение в радиофизику"
Студенты должны иметь достаточные знания о радиофизике в рамках программы курса.
1.1.
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля
Всего аудиторных занятий
из них: - лекций
- практические занятия
Самостоятельная работа студента (в том числе
на курсовую работу по дисциплине)
Итого (трудоемкость дисциплины)
16 часов
16 часов
Нет
80 часов
96 часов
Изучение дисциплины по семестрам:
5 семестр: лекции - 16 ч.
5 семестр: письменное тестирование и устный опрос.
6 семестр: курсовая работа.
3.
Содержание дисциплины
3.1.1. Темы дисциплины, их краткое содержание и виды занятий
I. Качественное описание основных эффектов в области физики колебаний и волн (4
часа).
Понятие колебательного процесса. Системы с сосредоточенными параметрами. Примеры колебаний различной природы. Свободные колебания осциллятора с учетом трения. Резонанс. Добротность колебательной системы.
Понятие волнового процесса. Системы с распределенными параметрами (среды). Примеры волновых процессов. Волновое уравнение Даламбера и его решение в одномерном
случае.
Интерференция волн.
Отражение и прохождение электромагнитных волн через границу раздела изотропных
сред. Явление полного внутреннего отражения.
Понятия рефракции и дифракции.
Излучение движущихся заряженных частиц.
Особенности волновых процессов в анизотропных средах. Явления двойного лучепре
При наличии по дисциплине курсовой работы, в разделе "Самостоятельная работа" указывается
среднее, ориентировочное время, необходимое студенту на выполнение курсовой работы.
ломления и поворота плоскости поляризации.
Особенности волновых процессов в диспергирующих средах. Поперечные и продольные
волны в плазме.
Принцип суперпозиции и область его применимости.
Особенности волновых процессов в нелинейных средах. Ударные волны и солитоны.
II. Вводные лекции по основным направлениям научной и учебной работы кафедры (12
часов)
1. Введение в теорию распространения радиоволн.
2. Введение в акустику.
3. Введение в электрогидродинамику.
4. Введение в физику нелинейных волн.
5. Введение в электродинамику движущихся сред и теорию излучения движущихся источников.
6. Введение в радиоастрономию.
7. Введение в электронику СВЧ.
3.2. Лабораторный практикум – нет
3.3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы (вопросы ориентированы на повторение некоторых разделов из курсов лекций по
общей физике, теоретической физике и физическим основам электроники)
1. Какому уравнению подчиняется линейный осциллятор при учете трения? Каково его
решение при отсутствии источника?
2. Получите уравнения движения для математического маятника, грузика на пружинке и
колебательного контура (в линейном приближении).
3. Что такое системы с сосредоточенными параметрами и системы с распределенными параметрами?
4. Понятие добротности колебательной системы.
5. Понятие резонанса.
6. Простейшие RC-фильтры верхних и нижних частот. Когда они могут играть роль дифференцирующей или интегрирующей цепочки?
7. Запишите операции ротора, дивергенции, градиента и оператор Лапласа в декартовых
координатах.
8. Напишите уравнения Даламбера, Гельмгольца, Лапласа, Пуассона.
9. Напишите общее решение однородного одномерного уравнения Даламбера.
10. Что такое интерференция волн?
11. Преломление и отражение электромагнитных волн на границе раздела.
12. Явление полного внутреннего отражения.
13. Что такое частотная дисперсия среды?
14. Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной форме.
15. Векторный и скалярный потенциалы в электродинамике.
16. Граничные условия в электродинамике при отсутствии и при наличии поверхностных
токов и зарядов.
17. Закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.
18. Плотность энергии и плотность потока энергии.
19. Закон сохранения энергии в интегральной и дифференциальной форме.
20. Когда можно пользоваться мультипольными разложениями? Как зависит поле осциллирующего диполя от расстояния в квазистатической и в волновой зонах?
21. Что такое принцип суперпозиции и когда им можно пользоваться?
22. Понятие анизотропии среды. Что представляет собой диэлектрическая (магнитная) проницаемость в случае электрически (магнитно) анизотропной среды?
3.4.
Примерные темы курсовых работ
1. Оценка погрешностей измерения дальности спутниковых навигационных систем.
2. Возбуждение магнитогидродинамических волн (магнитозвуковых и альфвеновской) движущимися источниками.
3. Ударные ионно– звуковые волны в слабоионизированной плазме. Предвестник сильной
ударной волны.
4. Кильватерные поля заряженных частиц, движущихся в диспергирующих средах.
5. Излучение Вавилова-Черенкова в «левых» средах.
6. Динамика взаимодействия субрелятивистских электронов с продольными
плазменными волнами различных типов в магнитных ловушках активных областей
на Солнце.
7. Структура магнитосферы вспышечно-активных областей на Солнце по данным
наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600.
8. Численное моделирование поля скорости в колеблющемся тонком слое жидкости.
9. Исследование звукокапиллярного эффекта (Численное моделирование и эксперимент).
10. Исследование основных характеристик поверхностных волн на границе двух упругих полупространств.
11. Анализ работы пьезоэлектрического трансформатора.
12. Статистическое моделирование случайной величины. Проверка гипотезы о функции распределения выборки.
13. Разработка алгоритма и программы решения системы параболических уравнений для СДВ
поля и его производных по параметрам модели электронной концентрации в волноводном
канале Земля-ионосфера
14. Влияние поляризации плоской электромагнитной волны на ее коэффициент отражения от
однородного полупространства.
15. Распространение электромагнитных волн вдоль плоского диэлектрического слоя.
16. Электромагнитное излучение молниевых вспышек.
17. Исследование аномальных сверхдлинноволновых возмущений в волноводном канале
земля – ионизованная средняя атмосфера высоких широт.
18. Экспериментальное исследование модовой структуры сигналов ионосферного распространения радиоволн методом вейвлет-фильтрации.
19. Экспериментальное исследование нелинейного параметра сред с пузырьками газа.
20. Основные особенности структуры электромагнитных полей, возбуждаемых в ионосфере
наземными элементарными излучателями.
21. Некоторые свойства эффективности возбуждения приземного волновода элементарными
низкочастотными излучателями, расположенными на спутниковых высотах.
3.5.
Темы рефератов
3.6.
Примерный перечень вопросов к тестированию и устному опросу.
В 5 семестре предусмотрено письменное тестирование с целью проверки знаний студентов в
области теории колебательно-волновых процессов (по материалам курсов лекций по общей
физике, теоретической физике и физическим основам электроники). Тестирование и устный
опрос предполагается использовать для оказания содействия в выборе научного направления
и руководителя.
Тестирование предполагает письменные ответы на 10 тестовых вопросов, составленных на
основе вопросов раздела 3.3 (без использования печатных, рукописных или иных материалов). Каждый верный ответ дает 1 балл.
Пример теста.
1. Напишите уравнение линейного гармонического осциллятора с учетом трения.
2. Завершите написание одного из уравнений Максвелла:

rot H 
3. Напишите выражения для плотности энергии электромагнитного поля в вакууме.
4. Напишите закон сохранения заряда в интегральной форме.
5. Пусть плоская волна падает на границу раздела двух изотропных сред (из среды с показателем преломления n1 на границу со средой с показателем преломления n2 ). Каково соотношение между углами падения, отражения и преломления?
2U
1 2U

0.
x 2 a 2 t 2
7. Из «верхней» среды на границу раздела падает плоская волна, причем имеет место полное внутреннее отражение. При этом:
а) показатель преломления «верхней» среды больше, чем «нижней»
б) показатель преломления «нижней» среды больше, чем «верхней»
(подчеркните верный ответ)
8. Наличие поверхностного электрического тока на границе раздела приводит к разрыву
а) касательной компоненты напряженности электрического поля
б) касательной компоненты напряженности магнитного поля
в) нормальной компоненты напряженности электрического поля
г) нормальной компоненты напряженности магнитного поля
(подчеркните верный ответ)
9. Какими уравнениями описываются системы с сосредоточенными параметрами?
10. Как амплитуда электромагнитной волны точечного осциллятора зависит от расстояния,
если оно много больше длины волны?
6. Напишите общее решение уравнения
Устный опрос: проверка знаний студентов, полученных на вводных лекциях по основным
направлениям научной и учебной работы кафедры.
1. Какие особенности Земли и атмосферы существенны для распространения радиоволн?
2. Что изучает акустика?
3. Что изучает электрогидродинамика?
4. Нелинейные волновые процессы: определение и примеры.
5. Что изучает электродинамика движущихся сред и источников?
6. Что изучает радиоастрономия?
7. Что изучает электроника СВЧ?
4. Учебно-методическое обеспечение курса
Активные методы обучения
В данном курсе используются классические аудиторные методы и самостоятельная
подготовка студентов.
4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и контроля
Стандартно оборудованные лекционные аудитории.
4.7.
Литература
4.7.1. Основная
1. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1979.
2. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.
4.7.2. Дополнительная
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.
2. Л.Д.Гольдштейн, Н.В.Зернов. Электромагнитные поля и волны. М.: Советское радио,
1971.
4.2.