3 семестр МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ФИТ ВС 2015

ЛЕКЦИИ
ЛЕКЦИЯ 1. ВОЛНЫ. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
Законы отражения и преломления света; плоские и сферические зеркала;
оптические волноводы. Принцип суперпозиции волн. Закон сложения
интенсивностей.
ЛЕКЦИЯ 2. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ.
Интерференция двух воли. Оптическая разность хода. Условия
интерференционных максимумов и минимумов интенсивности. Понятие о
когерентности. Временная и пространственная когерентность. Время, длина
и радиус когерентности. Способы наблюдения интерференции света.
Интерференция при отражении от тонких пластинок. Кольца Ньютона.
Просветление оптики. Интерферометры.
ЛЕКЦИЯ 3. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА. ДИФРАКЦИЯ.
Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля и дифракция
Фраунгофера. Зоны Френеля. Дифракция Френеля от круглого отверстия.
Дифракция Фраунгофера от одной щели и от двух щелей. Дифракционная
решетка.
ЛЕКЦИЯ 4. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА.
Спектральный анализ. Критерий Рэлея. Дифракция рентгеновских лучей.
Формула Брэгга-Вульфа. Рентгеноструктурный анализ. Понятие о
голографии. Получение и применение.
ЛЕКЦИЯ 5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА.
Естественный и поляризованный свет; степень поляризации; закон Малюса;
поляризация света при двойном лучепреломлении; дихроизм; интенсивность
отраженных и преломленных лучей; поляризация света при отражении и
преломлении на поверхности диэлектриков; явление и закон Брюстера;
вращение плоскости поляризации.
ЛЕКЦИЯ
6.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ.
Физическая сущность явления преломления света. Дисперсия света.
Групповая скорость. Элементарная теория дисперсии. Поглощение света.
Коэффициент поглощения. Закон Бугера. Рассеяние света.
ЛЕКЦИЯ 7. КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Гипотеза Планка, Теория равновесного теплового излучения. Фотоэффект.
Формула Эйнштейна. Эффект Комптона. Давление света. Модельные
представления электромагнитного излучения при его взаимодействии с
веществом.
ЛЕКЦИЯ 8. СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЙ. ФОТОМЕТРИЯ.
Виды излучений; энергетические характеристики; основные характеристики
излучений; тепловое излучение и его характеристики. Основные законы
теплового излучения. Закон Кирхгофа; закон Стефана-Больцмана; закон
смещения Вина; формула Рэлея-Джинса.
ЛЕКЦИЯ 9. ОПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ В МИКРОМИРЕ.
Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Опыты Дэвиссона — Джермера.
Неприменимость понятия траектории к микрочастицам. Соотношение
неопределенностей Гейзенберга. Задание, состояния частицы в квантовой
механике: пси-функция и вероятностный смысл её квадрата модуля.
Нормировка. Принцип суперпозиции состояний. Пространство состояний
Микрочастицы.
ЛЕКЦИЯ 10. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ.
Корпускулярно-волновой дуализм; волны де-Бройля; волновая функция и ее
свойства; стационарные состояния; движение свободной частицы; частица в
потенциальной яме; прохождение частицы через барьер; гармонический
осциллятор.
ЛЕКЦИЯ 11. УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА.
Нестационарное (временное) и стационарное уравнения Шредингера.
Стационарные состояния. Частица в одномерной бесконечно глубокой
потенциальной яме и трехмерном потенциальном ящике с абсолютно
непроницаемыми стенками. Квантование энергии, Гармонический
осциллятор (результаты решения). Прохождение частицы через одномерный
потенциальный барьер. Туннельный эффект.
ЛЕКЦИЯ 12 ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ СТАТИСТИКИ.
Спин. Тождественные частицы. Симметричные и антисимметричные
состояния. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Фазовое пространство.
Квантовые
статистики
Ферми
—
Дирака
и
Бозе-Эйнштейна.
Сверхпроводимость.
Эффект
Джозефсона.
Высокотемпературная
сверхпроводимость. Сверхтекучесть.
ЛЕКЦИЯ 13. СТРОЕНИЕ АТОМА
Квантово-механическая модель атома водорода (результаты решения
уравнения Шредингера}. Квантовые числа электрона в атоме. Квантовые
числа орбитального и спинового моментов. Сложение моментов.
Результирующий момент многоэлектронной системы. Квантовые числа этого
момента. Вырождение уровней. Кратность вырождения. Схема уровней.
Правило отбора. Спектральные серии атома водорода. Магнитный момент
атома. Атом в магнитном поле. Эффект Зеемана. Распределение электронов в
атоме по энергетическим уровням. Слой и оболочка (оболочка и
подоболочка). Периодическая система элементов.
ЛЕКЦИЯ 14. ИЗЛУЧЕНИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЛАЗЕРОВ
Распределение электронов в атоме по состояниям; рентгеновские спектры;
молекулярные спектры; комбинационное рассеяние; поглощение и
излучение; лазеры.
ЛЕКЦИЯ 15. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ КРИСТАЛЛОВ.
Кристаллическое состояние, Физические типы кристаллических решеток.
Теплоемкость кристаллов. Фононы. Взаимодействие излучения с веществом.
Спонтанное и вынужденное излучения. Принцип детального равновесия и
формула Планка. Лазер (на примере трехуровневой системы), Распределение
электронов по энергиям (распределение Ферми-Дирака). Уровень Ферми.
Идеальный электронный газ.
ЛЕКЦИЯ 16. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.
Электрон в периодическом поле кристалла. Энергетические зоны. в
кристаллах. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Электропроводность
металлов
и
полупроводников, Контактные
явления.
Электроны
проводимости и дырки. Собственная и примесная проводимость
полупроводников. Типы полупроводников. Физика р-n — перехода,
Полупроводниковые диоды и транзисторы.
ЛЕКЦИЯ 17. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЯДРА. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ.
Строение ядра. Ядерные реакции. Элементарные частицы. Термоядерный
синтез. Принцип работы ядерного реактора. Современные задачи энергетики.
Студенческие выступления по темам, рассмотренным в лекции; презентации;
обсуждение видеороликов по физическим явлениям и процессам; анализ
экзаменационных вопросов; итоги рейтинга студентов.
ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ
1. Приобретение теоретических знаний строения вещества, принципов
работы современной электроники, законов, явлений и закономерностей
геометрической, волновой и квантовой оптики, их проявлений в
природе и технике, области их применения в профессиональной
деятельности инженера.
2. Приобретение практических навыков расчетов основных оптических и
фотометрических характеристик и параметров излучений.
3. Приобретение практических навыков измерения оптических и
энергетических характеристик излучений.
4. Практическая проверка теоретических закономерностей в оптике и
современной физике твёрдого тела для формирования научнообоснованного инженерного представления о процессах и принципах
работы оптических и электронных систем и устройств.
РЕЙТИНГОВАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
Итоговая
экзаменационная
отметка
( Э  10 )
по
физике
рассчитывается на основе результата промежуточного контроля ( П  10 ),
отметки, полученной студентом за ответ по билету ( О  10 ), и
дополнительных баллов за работу в семестре ( Д ) по формуле
Э  0,5О  0,5 П  Д1  Д 2  Д3
Расчет
результата
промежуточного
осуществляется по формуле
П
контроля
за
семестр
ПК1  ПК 2  ...  ПК n
n
Дополнительные баллы по решению кафедры физики обеспечивают
увеличение результата промежуточного контроля для студентов,
принимавших участие в олимпиадах Д1 , конкурсах студенческих работ Д 2 ,
подготовке m презентаций и докладов на лекциях
Д3 
Д 31  Д 32  Д 33  ... Д 3m
.
m
Календарный план мероприятий рейтингового контроля знаний на
осенний семестр учебного года - 2015/2016 гг.
Тип занятия
Практические
занятия
Лабораторные
работы
Участие в
олимпиадах и
конкурсах работ
Д1,2
Дополнительная
работа в семестре
Д3
Номер недели
Мероприятия промежуточного
контроля
6
Домашняя контрольная работа
Максимальный
балл
промежуточного
контроля (ПКi)
10
12
Домашняя контрольная работа
10
Номер занятия
Мероприятия промежуточного
контроля
1
2
3
4
В течение
семестра
Защита отчета по лаборат. работе
Защита отчета по лаборат. работе
Защита отчета по лаборат. работе
Защита отчета по лаборат. работе
Участие
Максимальный
балл
промежуточного
контроля (ПКi)
10
10
10
10
1
Призеры и лауреаты
В течение
Подготовка:
выступлений,
семестра, по мере
презентаций,
выдачи заданий
докладов
до 5
1
до 2
до 3
ПРИМЕРЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
контрольная работа № 1
1.
Дифракция на пространственной решетке. Разрешающая способность
спектрального прибора. Голография.
1.
Угол между плоскостями поляризации двух поляроидов 70°. Как
изменится интенсивность пошедшего через них света, если этот угол
уменьшится в 5 раз.
2.
Расстояние Δr2-1 между вторым и первым темным кольцами Ньютона в
отраженном свете равно 1 мм. Определить расстояние Δr10-9 между десятым и
девятым кольцами.
3.
На щель шириной а=6λ падает нормально параллельный пучок
монохроматического света с длиной волны λ. Под каким углом будет
наблюдаться третий дифракционный минимум света?
контрольная работа № 2
1.
Прохождение частицы через барьер. Туннельный эффект
1.
Определить давление солнечных лучей, нормально падающих на
зеркальную поверхность. Интенсивность солнечного излучения принять
равной 1,37 кВт/м2
2.
Определить импульс фотона, энергия которого равна 10 кэВ.
3.
Из смотрового окошечка печи излучается поток Фе = 4 кДж/мин.
Определить температуру Т печи, если площадь окошечка S = 8 см2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
Вопросы, выносимые на контрольную работу № 1
2.
Геометрическая оптика.
3.
Волновая оптика. Интерференция света
4.
Интерференция света. Полосы равного наклона. Полосы равной
толщины
5.
Дифракция света. Зоны Френеля. Дифракция в сходящихся лучах.
6.
Дифракция на пространственной решетке. Разрешающая способность
спектрального прибора. Голография.
7.
Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Дисперсия
8.
Поляризованный свет. Степень поляризации. Закон Малюса.
9.
Способы получения поляризованного света. Искусственная оптическая
анизотропия.
10. Вращение плоскости поляризации.
Вопросы, выносимые на контрольную работу № 2
2.
Квантовая гипотеза Планка. Масса и импульс фотона.
3.
Законы фотоэффекта.
4.
Давление света. Эффект Комптона
5.
Тепловое излучение и его характеристики. Абсолютно черное и серое
тело.
6.
Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина.
7.
Модели атома. Спектр атома водорода. Постулаты Бора и их
подтверждение .
8.
Корпускулярно-волновой дуализм, гипотеза де-Бройля. Соотношения
неопределенностей
9.
Волновая функция и ее свойства. Уравнение Шредингера.
10. Гармонический
осциллятор
Движение
свободной
частицы.
Гармонический квантовый осциллятор.
11. Частица в потенциальной яме.
12. Прохождение частицы через барьер. Туннельный эффект
13. Квантовые числа. Принцип отбора. Спин электрона. Принцип
неразличимости тождественных частиц. Квантовые статистики БозеЭйнштейна и Ферми-Дирака.
14. Принцип Паули и заполнение электронных орбит
15. Рентгеновские и молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние
16. Поглощение и излучение. Лазеры.
17. Зонная теория твердых тел.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ (с комментариями)
по физике для студентов 2-го курса специальности
МИАТ (3 семестр) по разделам «Волновая оптика»,
«Квантовые свойства излучения», «Основы
квантовой физики и физики твердого тела»
1. Геометрическая оптика.
Принцип Ферма. Законы геометрической оптики. Абсолютный и
относительный показатели преломления. Плоские и сферические зеркала.
Линзы. Системы линз.
2. Электромагнитные волны.
Волновые
уравнения
электрической
и
магнитной
компонент
электромагнитной волны. Вектор плотности потока электромагнитной
энергии (вектор Умова-Пойтинга). Колеблющийся электрический диполь.
Дисперсия света. Взаимодействие излучения с веществом.
3. Интерференция света.
Условия наблюдения интерференции. Получение когерентных волн.
Оптическая разность хода и ее связь с разностью хода. Условия минимума и
максимума интерференции. Расчет интерференционной картины на примере
опыта Юнга.
4. Интерференция в тонких пленках.
Полосы равной толщины и равного наклона.
5. Дифракция света.
Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля. Дифракция Френеля на круглом
отверстии.
6. Дифракция Фраунгофера.
Дифракционная решетка. Условия минимума и максимума дифракции.
Дифракция на кристаллических решетках.
7. Применение дифракции и интерференции.
Просветление оптики. Спектральный анализ. Голография.
8. Поляризация света.
Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Закон Малюса.
Вращение плоскости поляризации.
9. Способы получения поляризованного света.
Двойное лучепреломление. Дихроизм. Явление и закон Брюстера.
Искусственная анизотропия.
10. Поляризация света при отражении и преломлении на поверхности
диэлектриков.
11. Тепловое излучение. Основные характеристики теплового
излучения. Законы теплового излучения
Природа теплового излучения. Характеристики теплового излучения: поток,
энергетическая светимость, спектральная плотность энергетической
светимости, поглощательная способность. Абсолютно черное тело.
Экспериментальные законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана. Закон
смещения Вина. Квантовая гипотеза Планка. Фотоны.
12.Фотоэффект и его законы.
Природа внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для внешнего
фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Работа выхода электрона из
металла. Применение фотоэффекта.
13.Масса и импульс фотона. Давление света.
Корпускулярные свойства света. Возможность определения массы и
импульса фотона. Давление света – как проявление корпускулярных свойств.
Взаимосвязь давления с энергией фотонов и свойством поверхности.
Квантовое и волновое объяснение давления света.
14.Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Соотношение
неопределенностей Гейзенберга.
Опытное обоснование корпускулярно-волнового дуализма свойств вещества.
Формула де Бройля. Физический смысл волны де Бройля. Соотношение
неопределенностей – как проявление корпускулярно-волнового дуализма
свойств материи. Физическое объяснение соотношения неопределенностей
на примере дифракции электронов.
15. Волновая функция и ее статистический смысл. Физические
величины в квантовой механике.
Волновая функция и ее статистический смысл. Понятие плотности
вероятности. Волновая функция свободной частицы. Условие нормировки.
Операторы физических величин: оператор импульса, момента импульса,
кинетической энергии, потенциальной энергии, полной энергии. Средние
значения величин. Собственные значения и собственные функции
операторов.
16. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для
стационарных состояний.
Временное уравнение Шредингера. Понятие стационарных состояний и
волновая функция стационарных состояний.
17.Туннельный эффект.
Решение уравнения Шредингера для случая прохождения частицы через
потенциальный барьер прямоугольной формы. Коэффициент прозрачности
при прохождении частицы через потенциальный барьер прямоугольной
формы. Коэффициент прозрачности при прохождении частицы через барьер
произвольной формы.
18.Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме.
Решение уравнения Шредингера для случая нахождения частицы в
одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими
стенками. Вид волновых функций. Энергетический спектр частицы в
одномерной прямоугольной потенциальной яме. Квантование энергии и
импульса частицы. Главное квантовое число. Вероятность нахождения
частицы.
19.Квантовый гармонический осциллятор.
Уравнение Шредингера, энергетический спектр и вид волновых функций
квантового гармонического осциллятора. Влияние формы "потенциальной
ямы" на квантование энергии гармонического осциллятора.
20.Атом водорода в квантовой механике.
Атом водорода. Уравнение Шредингера для атома водорода. Энергетический
спектр и вид волновых функций. Квантовые числа: главное, орбитальное,
магнитное и спиновое. Принцип Паули. Принцип неразличимости
тождественных частиц.
21.Классические и квантовые статистики.
Критерий вырожденных и невырожденных коллективов частиц. Понятие
различных типов газов: молекулярный, электронный в металле, фононный и
фотонный. Распределение Ферми-Дирака.. Энергия Ферми. Распределение
Бозе-Эйнштейна Фермионы и бозоны.
22.Электронный газ в металле.
Электроны в металле – квантовый электронный газ. Распределение
электронов проводимости в металле по энергиям и энергия Ферми при 0 К.
Влияние температуры на распределение электронов Внутренняя энергия и
теплоемкость электронного газа в металле.
23.Фононный газ.
Колебания кристаллической решетки твердого тела. Теплоемкость кристалла
с точки зрения квантовой статистики. Теплоемкость кристаллов при низких и
высоких температурах. Закон Дебая и Дюлонга-Пти.
24.Электропроводность металлов. Сверхпроводимость.
Понятие о квантовой теории электропроводности металлов. Зависимость
сопротивления металлов от температуры. Явление сверхпроводимости.
Магнитные свойства сверхпроводника.
25.Основы зонной теории вещества. Деление на металлы, диэлектрики
полупроводники. Эффективная масса.
Зонное строение вещества в рамках квантовой теории. Валентная зона, зона
проводимости, запрещенная зона. Распределение электронов по
энергетическим зонам. Деление веществ по проводимости с точки зрения
зонной теории. Масса частицы в кристалле – эффективная масса.
26.Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Понятие собственного полупроводника. Электронная и дырочная
проводимость. Зависимость собственной проводимости от температуры.
Проводимость, обусловленная наличием в кристалле примесей. Донорные и
акцепторные примеси, энергетические уровни, обусловленные их наличием.
27.Контакт металл-металл, металл-полупроводник.
Понятие о контактных явлениях. Работа выхода. Внутренняя и внешняя
контактная
разность
потенциалов.
Толщина
контактного
слоя.
Выпрямляющий контакт.
28.Контактные явления. Контакт электронного и дырочного
полупроводников (p-n-переход) и его вольтамперная характеристика.
Понятие о контактных явлениях. Контакт двух полупроводников различного
типа проводимости. Энергетический барьер на границе раздела. Характер
зависимости тока через p-n-переход от приложенного напряжения. Примеры
применения p-n-перехода.
29.Элементы ядерной физики.
Строение ядра. Энергия связи. Ядерные реакции. Элементарные частицы.
30.Основы атомной энергетики. Принцип работы реактора.