Малоракурсная томография в науке и технике

Обратные некорректные задачи в физическом эксперименте

Представлены разработки профессора, д.т.н., Филонина О.В. в области малоракурсной томографии для научно-технических приложений

Рабочая программа 1, 2, 3 семестра по курсу физики

NB Программа  рассчитана на минимальный объем часов необходимый для удовлетворительного усвоения основных физических понятий

Лекции  - 128 ч.,

Практические занятия 48 ч.,

Лабораторные работы 64 ч.

 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ.

1. Рабочая программа 1,2,3 семестра по курсу физики для студентов радиотехнического факультета составлена на базе типовой программы по физике для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

2. Цели преподавания курса:

2.1. Сообщать студентам логически упорядоченные знания о наиболее общих и важных законах и моделях описания природы.

2.2. Использовать эти знания для развития у студентов понятийного аппарата, применяемого к анализу явлений природы, формирования сознательной ориентировки в окружающем мире.

2.3. Ознакомить с научной аппаратурой и сформировать у студентов начальные навыки проведения физического эксперимента и обработки результатов измерений.

2.4. Формировать естественнонаучное мировоззрение, развивать способность к познанию и культуру мышления в целом.

3. Совместно с курсами математики, химии, информатики и другими общетеоретическими дисциплинами курс физики составляет основу теоретической подготовки инженеров.

Для успешного усвоения курса студенты должны быть ознакомлены со следующими разделами математики:

1. Линейная алгебра.

2. Дифференциальное и интегральное исчисление.

3. Основные понятия теории вероятности.

4. Элементы векторного анализа.

ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС

(лекция рассчитана на 2 академических часа)

ПРАКТИЧЕСКИЕ  ЗАНЯТИЯ

(одно занятие рассчитано на 2 академических часа)

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Семестр 1

       ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ.

Лекция 1.

 Предмет физики. Методы физических исследований: опыт,  гипотеза, эксперимент, теория. Математика и физика. Этапы развития физики. Роль физики в развитии техники. Компьютеры в современной физике. Роль физики в становлении инженера. Общая структура и задача курса.

Физические основы механики. Кинематика и динамика. Классическая механика. Квантовая механика. Релятивистская механика.

Лекция 2.

  Физические модели: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело, сплошная среда. Пространство и время. Кинематическое описание движения. Движение точки по окружности, угловые параметры движения.

Лекция 3.

  Скорость и ускорение при криволинейном движении тела. Нормальное и тангенциальное ускорение. Степени свободы, обобщенные координаты.

Лекция 4.

  Основные задачи динамики. Понятие состояния в классической механике. Уравнения движения. Масса, импульс тела. Границы применимости классической механики. Инерциальная система отсчета. Закон сохранения импульса. Реактивное движение.

Лекция 5.

Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Момент силы. Уравнение моментов. Работа и кинетическая энергия. Внутренняя  энергия. Консервативные и диссипативные силы. Закон сохранения энергии в механике. Общефизический закон сохранения энергии. Симметрия пространства и времени.

Лекция 6

  Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности. Преобразования Галилея. Преобразования Лоренца. Абсолютные и относительные скорости и ускорения. Релятивистский импульс. Уравнения движения релятивистской частицы. Работа и энергия. Законы сохранения энергии и импульса.

Лекция 7.

  Уравнения движения твердого тела. Статически неопределенные системы. Момент инерции твердого тела относительно оси. Кинетическая энергия вращательного движения. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.

  ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ.

Лекция 8.

  Статистический и термодинамический методы исследования в физике. Кинетическая энергия молекул, распределение энергии по степеням свободы. Средняя длина свободного пробега. Понятие о термодинамическом равновесии. Явления переноса: диффузия, теплопроводность внутреннее трение.

Лекция 9.

  Теплоемкость идеального газа. Классическая теория теплоемкости. Распределение Максвелла по скоростям для молекул идеального газа. Барометрическая формула. Распределение Больцмана для молекул идеального газа во внешнем потенциальном поле.

Лекция 10.

  Первое начало термодинамики и его применение к изо процессам идеального газа. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы. Тепловые и холодильные машины. Цикл Карно, КПД.

Лекция 11.

  Второе начало термодинамики. Неравенство Клаузиуса. Приведенное количество тепла. Энтропия. Энтропия идеального газа.

Лекция 12.

  Реальные газы. Потенциальная энергия взаимодействия между молекулами. Эффективный диаметр молекулы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Фазовые переходы первого и второго рода. Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа.

       ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

Лекция 13.

  Предмет классической электродинамики. Идея близкодействия. Электрический заряд его дискретность. Закон сохранения заряда. Электрическое поле, его характеристики. Напряженность и потенциал электрического поля. Принцип суперпозиции.

Лекция 14.

  Поток вектора напряженности электростатического поля, теорема Гаусса - Остроградского. Применение теоремы Гаусса к расчету электрических полей.

Лекция 15.

  Электрическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Электронная и ориентационная поляризация. Диэлектрическая восприимчивость вещества и ее зависимость от температуры. Диэлектрики в электрическом поле.

Лекция 16.

  Проводники в электрическом поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнике.  Электроемкость уединенного проводника. Взаимная емкость двух проводников. Конденсаторы, энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.

Лекция 17.

  Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Классическая электронная теория электропроводимости, границы ее применимости. Законы Ома, Видемана - Франца. Разность потенциалов, ЭДС. Работа выхода электронов из металла, термоэлектронная эмиссия. 

Лекция 18

  Магнитная индукция.  Закон Ампера.

Магнитное поле тока. Закон Био - Саварро - Лапласа и его приложения к расчету полей.

Лекция 19.

  Магнитный момент витка с током. Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции для магнитного поля в вакууме. Магнитные поля тороидальной катушки и длинного соленоида.

Лекция 20.

  Движение элементарных зарядов в электрическом и магнитном полях. Сила Лоренца.  Релятивистское уравнение движения заряда. Эффект Холла. МГД генератор.

Лекция 21.

  Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток. Теорема Остроградского - Гаусса. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Закон ЭМИ.

Лекция 22.

  Явление самоиндукции. Индуктивность. Явление взаимной индукции. Энергия системы проводников с током. Объемная плотность энергии магнитного поля.

Лекция 23.

  Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков. Намагниченность. Элементарная теория диа- и парамагнетизма. Недостатки классической теории магнетизма.

Лекция 24.

  Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Опыты Столетова. Явление гистерезиса. Точка Кюри.

Лекция 25.

  Основы теории Максвелла. Ток смещения. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах.

Лекция 26.

Векторный и скалярный потенциалы поля. Волновое уравнения. Плотность потока энергии.

Итого в семестре 52 ч. 

Семестр 2.

      КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ.

Лекция 1.

  Колебательные процессы, единый подход к колебаниям различной физической природы. Гармонические колебания (механические, электромагнитные) и их характеристики. Дифференциальные уравнения гармонических колебаний (математический маятник, LC-контур).

Лекция 2.

  Энергия гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний. Биения. Затухающие колебания. Дифференциальные уравнения затухающих колебаний, его решения. Резонанс.

Лекция 3.

  Волновые процессы. Продольные, поперечные волны. Волновые уравнения, уравнение бегущей волны. Длина волны и волновой вектор. Энергия волн. Принцип суперпозиции.

Лекция 4.

  Волновой пакет. Групповая скорость. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова - Пойтинга.

         ВОЛНОВАЯ ОПТИКА.

Лекция 5.

  Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых фотонов (временная и пространственная когерентность). Интерференция от двух монохроматических источников. Интерференция квазимонохроматических волн. Интерферометры.

Лекция 6.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Интеграл и дифракция Френеля. Приближение Фраунгофера. Простые задачи дифракции (дифракция на щели, на решетке, на круглом отверстии).

Лекция 7.

  Дифракция Фраунгофера и спектральное разложение. Оптическая фильтрация пространственных частот. Принцип голографии.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В              ВЕЩЕСТВЕ.

Лекция 8.

    Распространение света в веществе. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Поглощение света. Нормальная и аномальная дисперсии.

Лекция 9.

  Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление Одноосные и двухосные кристаллы, поляризационные приспособления. Закон Малюса. Искусственная анизотропия.

              КВАНТОВАЯ ПРИРОДА

                        ИЗЛУЧЕНИЯ.

Лекция 10.

Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Спектр абсолютно черного тела, распределение энергии по спектру. Квантовая гипотеза. Формула Планка. Вывод формулы Планка из закона Стефана-Больцмана и формулы Вина. Оптическая пирометрия.

Лекция 11.

  Фотоэффект и его законы. Фотоны. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Многофотонный фотоэффект. Опыты Вавилова по квантовой флуктуации излучения.

Лекция 12.

  Масса и импульс фотона. Квантовое и волновое давление света. Опыты Лебедева. Эффект Комптона.

         КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.

Лекция 13.

  Экспериментальное обоснование квантово-волнового дуализма. Гипотеза Де-Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Оценка основного состояния атома водорода, энергии нулевых колебаний осциллятора.

Лекция 14.

  Состояние микрочастиц, волновая функция, ее статистический смысл. Суперпозиция состояний в квантовой механике.  Уравнение Шредингера. Основные операторы квантовой механики.

Лекция 15.

  Принцип причинности в квантовой механике. Стационарное состояние. Уравнение Шредингера для стационарного состояния. Свободная частица. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Квантование энергии.

Лекция 16.

  Принцип соответствия Бора. Влияние формы потенциальной ямы на квантование энергии; линейный гармонический осциллятор, атом водорода.

Итого в семестре 32 ч.

Семестр 3.

Лекция 1.

  Уравнение Шредингера для атома водорода. Радиальная часть.

Лекция 2.

  Уравнение Шредингера для атома водорода. Угловая часть.

Лекция 3.

  Уравнение Шредингера для атома водорода. Обсуждение результатов. Квантовые числа. Спектры водородоподобных атомов. Функция плотности вероятности для различных состояний электрона в атоме водорода.

Лекция 4.

  Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям.

Лекция 5.

  Мезоатомы. Ширина уровней. Структура электронных уровней в сложных атомах. Типы связей электронов в атомах. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.

КВАНТОВАЯ СТАТИСТИКА И ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА.

Лекция 6.

  Фазовое пространство. Элементарная ячейка. Плотность состояний. Статистика Бозе  -Эйнштенйна. Фотонный и фононный газы.

Лекция 7.

  Распределение электронов проводимости в металле по энергиям. Энергия Ферми. Уровень Ферми. Статистика Ферми-Дирака. Внутренняя энергия и теплоемкость электронного газа в металле.

Лекция 8.

  Строение кристаллов. Дефекты в кристаллах. Краевые, винтовые дислокации. Акустические и оптические колебания кристаллической решетки. Теплоемкость кристаллов. Решеточная теплопроводность.

Лекция 9.

  Элементы зонной теории. Энергетические зоны в кристаллах. Распределение электронов по энергетическим зонам. Валентная зона, запрещенная зона, зона проводимости. Металлы, диэлектрики, полупроводники,

Лекция 10.

  Контактные явления (ЭДС, эффект Зеебека, явление Пельтье). Собственная проводимость полупроводников. Электронная и дырочная проводимость. Эффективная масса электрона в кристалле.

Лекция 11.

  Примесная проводимость полупроводников. Электронный и дырочный полупроводники. P-N переход.

Лекция 12.

  P-N переход. Толстый и тонкий p-n переходы. Туннельный эффект.

Лекция 13.

  Эффект Холла в чистых и примесных полупроводниках. Изменение сопротивления полупроводников в сильных магнитных полях. Эффект Эстинг-Гаузена. Термомагнитные явления в полупроводниках.

Лекция 14.

  Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Поглощение света. Фотопроводимость. Стимулированное излучение. Отрицательная проводимость в полупроводниках. Полупроводниковые лазеры.

Лекция 15.

Фотовольтаические эффекты. Эффект Дембери. Вентильный фотоэффект. Фотомагнитный эффект. Циклотронный резонанс в полупроводниках.

Лекция 16.

  Явление сверхпроводимости. Термодинамика сверхпроводников. Куперовское спаривание. Кулоновское отталкивание и  фотонное притяжение. Поверхностная энергия между нормальной и сверхпроводящими фазами. Сверхпроводники 1 и 2 рода.

Лекция 17.

  Роль примесей в сверхпроводниках. Высокотемпературная сверхпроводимость. Эффект Джозефсона и его приложения.

Лекция 18.

  Жидкие кристаллы. Типы жидких кристаллов: нематики, холестерики, немектики, примеры жидких кристаллов.

  ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Лекция 19. 

  Состав и размеры атомных ядер. Ядерные силы, энергия связи ядер.

Лекция 20.

Магнитные и электрические свойства ядер. Модели ядер.

Лекция 21.

  Естественная радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма- распады. Прохождение заряженных частиц и гамма излучения через вещество.

 Современная физическая     картина мира.                    

Лекция 22.

  Вещество в экстремальных условиях при сверхвысоких температурах  и давлениях. Металлический водород. Белые карлики, нейтронные звезды, пульсары.

Лекция 23.

  Кварки, элементарные частицы; лептоны, адроны. Взаимодействие частиц. Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационные взаимодействия. О единстве теории материи. Физическая картина мира, как философская категория.

2ч

2ч

2ч

…

и т.д.

Практическое занятие №1.

Кинематика материальной точки и абсолютно твердого тела.

Практическое занятие №2.

Динамика материальной точки и твердого тела.

Практическое занятие №3.

Законы сохранения в механике.

Практическое занятие №4.

 Релятивистская  механика.

Практическое занятие №5.

Контрольная работа №1.

Практическое занятие №6.

 Молекулярно-кинетическая теория.

Практическое занятие №7.

Основные положения термодинамики.

Практическое занятие №8.

Электростатика.

Практическое занятие № 9.

Магнитное поле.

Практическое занятие № 10.

Уравнения Максвелла.

Практическое занятие №11.

 Колебания и волны.

Практическое занятие №12.

 Интерференция и дифракция.

Практическое занятие №13.

 Контрольная работа.

Практическое занятие №14.

Тепловое излучение.

Практическое занятие №15.

Операторы квантовой механики.

Практическое занятие №16.

 Квантовый осциллятор. Уравнение Шредингера .

Практическое занятие №17

Уравнение  Шредингера (квантовые числа, моменты).

Практическое занятие №18.

Оптические спектры атомов.

Практическое занятие №19.

Статистика Ферми.

Фазовое пространство.

Практическое занятие №20

Строение кристаллов, дефекты в кристаллах

Практическое занятие №21.

 Контрольная работа.

Практическое занятие №22

Элементы зонной теории.

Практическое занятие №23.

P-N переход.

Явления в полупроводниках (Холла, вентильный и т .д.).

Практическое занятие №24.

Ядерная физика.

2ч

2ч

2ч

…

и т.д.

.

Лабораторные работы выполняются по кафедральному графику выполнения работ

список рекомендуемой литературы.

Основная литература.

1.     Сивухин Д. В. Общий курс физики., М, Высшая школа, 1974.

2.     Савельев И. В. Курс общей физики., М, Высшая школа, 1985.

3.     Ландау Л.Д. Ахиезер А.И. Курс общей физики, М., Наука, 1969.

4.     Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова Введение в атомную физику, М., Наука, 1969.

5.     Ч. Киттель Введение в физику твердого тела, М., Наука, 1978.

6.     Л.Г. Гурьев Сборник задач по общему курсу физики, М., Высшая школа, 1979.

7.     Сивухин Д. В. Сборник задач по общему курсу физики, М., Наука, 1976.

8.     И. Е. Иродов Сборник задач по общей физике, М., Наука, 1979.

8. И. Е. Иродов Сборник задач по атомной физике, М., Наука, 1969.

Дополнительная литература

1.     Берклеевский курс физики, М., Наука., 1975.

2.     Феймановские лекции по физике, М., Мир, 1967.

3.     А. Ф. Грашин  Квантовая механика, М., Просвещение 1974.

4.     Г. Мирдель Электрофизика, М., Мир, 1972.

5.     Т. Эрдеи-Груз  Основы строения материи, М., Мир, 1976.

6.     А. И. Ансельм Введение в теорию полупроводников, М., ФМ., 1962.

7.     К. В. Шалимова Физика полупроводников, М., Энергия, 1976.