МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Физико-технический институт Кафедра моделирования физических процессов и систем Аринштейн Э. А. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ. Учебно-методический комплекс. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 03.03.02 ФИЗИКА (уровень бакалавриата), форма обучения очная Тюменский государственный университет 2015 Аринштейн Э. А. Физика конденсированного состояния. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 03.03.02 ФИЗИКА (уровень бакалавриата), форма обучения очная. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2015, 17 стр. . Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом рекомендаций и ПрОП ВО по направлению и профилю подготовки. Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Физика конденсированного состояния [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный. Рекомендовано к изданию кафедрой моделирования физических процессов и систем. Утверждено и.о. директора Физико-технического института. ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой моделирования физических процессов и систем Пилипенко В.А., к.ф.-м.н., доцент © Тюменский государственный университет, 2015. © Аринштейн Э. А., 2015 . Учебно-методический комплекс. Рабочая программа включает следующие разделы: 1. Пояснительная записка, которая содержит: 1.1 Цели и задачи дисциплины (модуля) Целью дисциплины является изучение основ современных методов теории конденсированного состояния, без которых невозможно использование в практической деятельности известных физических явлений. Задачи учебного курса: – познакомить студентов с методами, используемыми в теории конденсированного состояния, – расширить сведение об области применения уже известных студентам методов квантовой теории, – дать навык использования приближенных и модельных методов исследования физических процессов в сложных системах. 1.2 Место дисциплины в структуре ОП бакалавриата. Дисциплина «Физика конденсированного состояния» входит в вариативную часть Блока 1 (Обязательные дисциплины). Для ее успешного изучения необходимы знания и умения, приобретенные в результате освоения предшествующих дисциплин: курсов «Математический анализ», «Векторный и тензорный анализ», «Дифференциальные уравнения», «Интегральные уравнения и вариационное исчисление» модуля математики, курсов «Механика», «Оптика» «Атомная и ядерная физика» модуля общей физики, курсов «Теоретическая механика» и «Электродинамика» модуля теоретической физики. Освоение курса «Физика конденсированного состояния» необходимо для последующего изучения курса «Статистическая физика и физическая кинетика» модуля «Теоретическая физика» базовой части профессионального цикла, а также для подготовки и написания выпускной квалификационной работы. Таблица 1. Разделы дисциплины и междисциплинарные (последующими) дисциплинами п/ п 1 Наименование № обеспечиваемых (последующих) дисциплин Темы дисциплины необходимые (последующих) дисциплин Статистическая физика. Физическая кинетика + 1 2 3 связи для с изучения обеспечиваемыми обеспечиваемых 4 5 6 7 8 + + + + + 1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной образовательной программы. В результате освоения ОП выпускник должен обладать следующими компетенциями: – способностью использовать базовые теоретические знания фундаментальных разделов общей и теоретической физики для решения профессиональных задач (ОПК-3). 1.4. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине: В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать – основные положения квантовой теории конденсированных состояний, – основные положения зонной модели электронных состояний, – связь прямой и обратной решеток кристалла, – структуру и свойства зон Бриллюэна, – характер колебательного спектра кристалла, – основные представления о спектре возбуждений сверхтекучей жидкости и сверхпроводящего электронного газа. – основеые представления об оптических свойствах кристаллов. Уметь – использовать методы теории взмущений и вариационные методы квантовой механики для анализа процессов в конденсированных состояниях, – использовать методы анализа и оценки сложных математических выражений. Владеть математическими методами, используемыми при решении этих задач. 2. Структура и трудоемкость дисциплины. Семестр 7. Форма промежуточной аттестации: экзамен и контрольная работа. Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц, 144 академических часов, из них 76.65 часа, выделенных на контактную работу с преподавателем (иные виды работ - 4.65 часа), 65.35 часа, выделенных на самостоятельную работу. 3. Тематический план. 1. 2 3 6 7 8 2 8 4 8 8 16 4 10 4 10 8 20 16 40 6,7 8,9 4 4 4 4 8 8 16 16 10, 11 4 4 8 16 12 12 24 48 4 4 8 16 3 4 5 1 2,3 2 4 4,5 Всего 1. Модуль 3 Сверхпродоники. 12, баллов Самостоятельн ая работа* 3 Итого часов по теме Лабораторные занятия* 1. 2 2 Модуль 1 Адиабатический принцип. Зоны Бриллюэна, энергетические зоны. Статистика носителей заряда. Всего Модуль 2 Акустические и оптические фононы, Конденсация бозонов. Сверхтекучесть. Электрон-фононные взаимодействия. Семинарские (практические) занятия* 1 Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. Лекции* Тема недели семестра № Из них в интерактивной Итогоформе количество Таблица 2. 8 0-1 6 0-2 2 Современная теория сверхпр-ости 3 Оптические свойства 13 14, 15 16, 17, 18 Всего Итого (часов, баллов): Из них в интерактивной форме 4 4 8 16 6 6 12 24 14 36 14 36 28 72 52 144 8 22 0-1 0-4 22 4. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля Таблица 3. 3.. Оптические свойства Всего Итого 0-10 0-3 0-10 0-2 0-2 0-3 0-3 0-10 электронные практикум 0-3 комплексные ситуационные задания 0-2 эссе 0-2 реферат 0-3 тест 0-3 контрольная работа 0-2 лабораторная работа ответ на семинаре - собеседование Итого количество баллов Информацио нные системы и технологии другие формы Технические формы контроля 0-2 коллоквиумы Модуль 1 1.Адиабатиче ский принцип 2.Зоны Бриллюэна, энергетическ ие зоны. 3.Статистика носителей заряда. Всего Модуь 2 1.Акустич. и оптические фононы, 2.Конденсац. бозонов. Сверхтек-сть. 3.Электронфононные взаимод.. Всего Модуль 3 1.Сверхпрвод ники. 2. Современ. теория сверхпр-ости Письменные работы Устный опрос программы компьютерного тестирования № темы 10 0-40 0-2 0-2 0-3 0-3 0-10 0-2 0-2 0-3 0-3 0-10 0-2 0-2 0-3 0-3 0-10 10 0-40 0-2 0-2 0-3 0-3 0-10 0-2 0-2 0-3 0-3 0-10 0-4 0-4 0-6 0-6 0-20 10 Реферат (курсовая работа) выполняется только по одной теме курса 5. Содержание дисциплины. 0-50 0 – 100 Тема 1. Адиабатический принцип Борна-Эренфеста. Состояния электронов в кристаллической решетке. Модулированные плоские волны. Функции Ванье. Тема 2. Зоны Бриллюэна, энергетические зоны. Особые точки зоны Бриллюэна. Перекрывание энергетических зон. Примеси и примесные уровни. Дефекты структуры и локализованные состояния. Тема 3. Статистика носителей заряда. Система тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Метод вторичного квантования, электроны и дырки. Тема 4. Акустич. и оптические фононы. Волны в одномерной и трехмерной решетках., Возбужденные состояния, как квазичастицы. Спиновые волны. Магноны. Тема 5. Конденсация бозонов. Сверхтекучесть. Распределение Бозе-Эйнштейна, конденсация в пространстве импульсов. Свойства сверхтекучего гелия. Ротоны. Тема 6. Электрон-фононные взаимодействия. Рассеяние электронов. Собственное и примесное сопротивление проводника, Магнетосопротивление. Тема 7. Сверхпроводники. Свойства сверхпроводников. Теория Лондонов. Теория Гинзбурга-Ландау. Тема 8. Современная теория сверхпроводимости. Куперовские пары. Структура высокотемпературных сверхпроводников. Поверхностные состояния электронов. Тема 9. Оптические свойства. Оптические своцства диэлектриков, металлов и полупроводников. Взаимодействие света с кристаллической решеткой, поляритоны. Распространение электромагнитных волн в полярных и неполярных кристаллах. Дисперсия. 6. Планы семинарских занятий. Тема 1. Адиабатический принцип. Невозмущенный Гамильтониан и возмущение. Тема 2. .Зоны Бриллюэна. Обратные решетки. Тема 3. Энергетические зоны. Пересечение энергетических зон. Тема 4. Система тождественных частиц. Детерминанты Слэтера, метод вторичного квантования Тема 5. Электроны и дырки. Кулоновское и обменное взаимодействие. Тема 6. Волны в одномерной решетке. Акустические и оптические волны. Тема 7. Волны в трехмерной решетке. Приближение Эйнштейна и Дебая. Тема 8. Распределение Бозе-Эйнштейна. Теплоемкость твердых тел. Тема 9. Конденсация в пространстве импульсов. Температура конденсации. Преобразования Боголюбова Тема 10. Рассеяние электронов. Электрон-фононное рассеяние, Рассеяние на примесях. Тема 11. Магнетосопротивление. Электрон в магнитном поле. Тема 12. Теория Лондонов. Свойства сверхпроводников, Поверхностный эффект. Тема 13. Теория Гинзбурга-Ландау. Самосогласованное поле Гинзбурга-Ландау. Тема 14. Куперовские пары. Преобразования Боголюбова для фермиогнов. Тема 15. Поверхностные состояния. Уровни Тамма. Тема 16. Взаимодействие света с кристаллической решеткой. Высокочастотная диэлектрическая проницаемость. Тема 17. Поляритоны. Волны в ионной решетке. Тема 18. Распространение электромагнитных волн в полярных и неполярных кристаллах. 7. Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум). Лабораторные работы не предусмотрены учебным планом. 8. Примерная тематика курсовых работ Курсовые работы не предусмотрены учебным планом 9. Учебно-методическое обеспечение и планирование самостоятельной работы студентов. Таблица4. № Модули и темы Виды СРС обязательн ые дополнитель ные Недел я семест ра Объе Колм во часов балло в Модуль 1 1.1 Структура кристалла, зоны Бриллюэна. 1. Работа с учебной литературой. 1-2 9 0-3 3-4 9 0-5 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций 1.2 Энергетические зоны. 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций 1.3 Статистика носителей заряда. 1. Работа с учебной литературой. 5-6 9 0-7 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций Всего по модулю 1: 0-15 27 Модуль 2 2.1 Акустич. и оптические фононы, 1. Работа с учебной литературой. 7-8 9 0-7 9-10 9 0-5 11-12 9 0-7 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций 2.2 Конденсац. бозонов. Сверхтекучесть. 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций 2.3 Электрон-фононные взаимод. 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций Всего по модулю 2: 0-19 27 Модуль 3 3.1 Сверхпрводники. 1. Работа с учебной литературой. 13-15 9 0-10 16-18 9 0-10 Всего по модулю 3: 18 0-20 ИТОГО: 72 0-54 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций 3.2 Современенная теория 1. Работа с сверхпроводимости. учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания. 3. Проработка лекций 10.Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля). 10.1 Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения образовательной программы (выдержка из матрицы компетенций): Циклы, дисциплины (модули) учебного плана ОП дисциплины ОПК-3 1 К У РС 1СЕМЕСТР 2СЕМЕСТР 2 К У РС 3СЕМЕСТР 4СЕМЕСТР 3 К У РС 5 СЕМЕСТР Механика + Практикум по механике + Молекулярная физика + Практикум по молекулярной физике + Электричество и магнетизм + Практикум по электричеству и магнетизму + Оптика + Практикум по оптике + Теоретическая механика + Физика атома, ядра и элементарных частиц + Практикум по атомной и + ядерной физике 4 К У РС Механика сплошных сред + Электродинамика + Линейные и нелинейные уравнения физики + 6 СЕМЕСТР Квантовая теория + 7 СЕМЕСТР Физика конденсированного состояния + Термодинамика + Статистическая физика. Физическая кинетика + 8 СЕМЕСТР Подготовка и защита ВКР 10.2 Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания: Таблица 5. Карта критериев оценивания компетенций Код компетенции Виды занятий Критерии в соответствии с уровнем освоения (лекции, ОП семинар ские, пороговый базовый повышенный практические (удовл.) (хор.) (отл.) , 61-75 баллов 76-90 баллов 91-100 баллов лабораторны е) Лекции, ОПК- Знает: Знает: Знает: основные основные основные практические 3 понятия и понятия и понятия и (семинарские) законы законы законы занятия, квантовой квантвой квантвой самостоятельн механики, их механики, их механики, их ая работа применение применение применение студентов. к описанию к описанию к описанию процессов в процессов в процессов в конденсирован конденсирован конденсирован ной среде. ной среде, ной среде, методы методы решения решения рассматриваем рассматриваем ых задач. ых задач, точность и границы применимости моделей. Оценочные средства (тесты, творческие работы, проекты и др.) Вопросы семинарских занятий; контрольные работы; коллоквиумы; экзаменацион ные вопросы. Умеет: Умеет: Умеет: выполнять простые математ-ские расчёты для решения стандартных задач теории конденсирован ных систем, определять по справочной литературе параметры практически используемых сред. выполнять математ-ские расчёты для решения стандартных задач теории конденсирован ных систем, определять по справочной литературе параметры практически используемых сред, анализировать свойства сложных систем. Владеет: Владеет: выполнять математ-ские расчёты для решения стандартных задач теории конденсирован ных систем, определять по справочной литературе параметры практически используемых сред, сосздавать модели и анализировать свояства сложных систем Владеет: навыками осуществления анализа стандартных моделей конденс-ных сред, расчётов простых физических эффектов в этих средах, возникающих при практическом приложении теории. навыками осуществления анализа стандартных моделей конденс-ных сред, расчётов различных физических эффектов в простых средах, возникающих при практическом приложении теории. навыками осуществления анализа стандартных моделей конденс-ных сред, расчётов различных физических эффектов в простых и сложных средах, возникающих при практическом приложении теории, навыками моделирования таких систем. 10.3 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы. Задания для контрольных работ. 1. Электрон в периодическом поле. 2. Зоны Бриллюэна. 3. Операторы вторичного квантования. 4. Колебания и волны в решетках. 5. Распределения Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Примерные вопросы к коллоквиуму и экзамену. 1. Адиабатическое приближение. 2. Уравнение Хартри и Хартри-Фока.. 3. Электрон в периодическом поле. 4. Обратные решетки и зоны Бриллюэнеа. 5. Энергетические зоны. 6. Детерминанты Слэтера. 7. Операторы вторичного квантования. 8. Электроны и дырки. 9. Обменное взаимодействие. 10. Колебания в одномерной решетке. 11. Колебания трехмерной решетки. 12. Распределение Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. 13. Теплоемкость твердых тел. Приближение Эйнштейна и Дебая. 14. Бозе-эйнштейновская конденсация. 15. Преобразования Боголюбова для бозонов. 16. Рассеяние электронов в металлах. 17. Движение электрона в магнитном поле. 18. Сверхпроводимость. Теория Лондонов. 19. Уравнение Гинзбурга-Ландау. 20. Взаимодействие электронов в сверхпроводниках. 21. Преобразование Боголюбова для электронов. 22. Уровни Тамма. 23. Диэлектрическая проницаемость кристалла. 24. Волны в полярных и неполярных кристаллах. 10.4 Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности характеризующих этапы формирования компетенций. Контроль качества подготовки осуществляется путем проверки теоретических знаний и практических навыков с использованием а) Текущей аттестации: проверка решений задач для самостоятельной работы. б) Промежуточной аттестации: проверка промежуточных контрольных работ и коллоквиумов по разделам дисциплины; экзамен в конце 7 семестра (к экзамену допускаются студенты после решения всех задач контрольных работ и выполнения самостоятельной работы). Текущий и промежуточный контроль освоения и усвоения материала дисциплины осуществляется в рамках рейтинговой (100-бальной) системы оценок. Согласно «Положению о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный университет» (приложение 1 к приказу ректора № 190 от 04.04.2014г.) всех формы текущего контроля, предусмотренные рабочей программой, оцениваются в баллах. Дисциплинарные модули, формы текущего контроля и шкала баллов, по которым они оцениваются, отражены в разделе «Тематический план». Студенты, набравшие по дисциплине в период проведения текущего контроля от 35 до 60 баллов допускаются к экзамену. Если в период проведения текущей аттестации студент набрал 61 балл и более, то он автоматически получает экзаменационную оценку в соответствии со шкалой перевода, но в то же время он имеет право повысить оценку, полученную по итогам рейтинга (удовлетворительно, хорошо), путем сдачи экзамена. Шкала перевода баллов в оценки: - 60 баллов и менее – «неудовлетворительно»; - от 61 до 75 баллов – «удовлетворительно»; - от 76 до 90 баллов – «хорошо»; - от 91 до 100 баллов – «отлично». Преподаватель может использовать систему штрафов, уменьшая набранные баллы за пропуски занятий без уважительных причин, за нарушение сроков выполнения учебных заданий, за систематический отказ отвечать на занятиях и т.д. Возможно также начисление премиальных баллов за работы, выполненные студентом на высоком уровне. Студенты, набравшие по дисциплине менее 35 баллов к экзамену не допускаются. Необходимое количество баллов (до 35) для получения допуска к экзамену, студенты набирают после третьей контрольной недели. 11. Образовательные технологии. В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Физика конденсированного состояния» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных (выступления на семинаре и выполнение курсовой работы) и интерактивных форм проведения занятий: лекции; практические занятия; 12. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля). 12.1. Основная литература: 1. Байков, Ю. А. Физика конденсированного состояния [Электронный ресурс]: учебное пособие / 2. Гольдаде, В. А. Физика конденсированного состояния [Электронный ресурс] / В. А. Гольдаде, Л. С. Пинчук. - Минск: Белорусская наука, 2009. 648 с. - . Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=93309 (дата обращения 28.01.2014) 12.2Дополнительная литература: 1. Давыдов А. С. Теория твердого тела. М., Наука, 1976. 2. Давыдов А. С.Квантовая механика. М., Наука, 1973 3.Харрисон У. Теория твердого тела. М. Мир, 1972 4.Блат Ф. Физика электронной прводимости в твердых телах. М. Мир, 1971 5.Абрикосов А. А. Введение в теорию нормальных металлов. М. Наука 1972. 12.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы: 1. Электронная библиотека Попечительского совета механико-математического факультета Московского государственного университета http://lib.mexmat.ru 2. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/ 13. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости). При осуществлении образовательного процесса по данной дисциплине (модулю) не предусмотрено использования программного обеспечения и информационных справочных систем. 14. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля). Лекционная аудитория. 15. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины (модуля). Формирование у студентов способностей и умения самостоятельно добывать знания из различных источников, систематизировать полученную информацию и эффективно её использовать происходит в течение всего периода обучения через участие студентов в лекционных и практических (семинарских) занятиях, причём самостоятельная работа студентов играет решающую роль в ходе всего учебного процесса. 15.1. Лекции. Для понимания лекционного материала и качественного его усвоения студентам необходимо вести конспекты лекций. В течение лекции студент делает пометки по тем вопросам лекции, которые требуют уточнений и дополнений. Вопросы, которые преподаватель не отразил в лекции, студент должен изучать самостоятельно. 15.2. Практические (семинарские) занятия. При подготовке к семинарским занятиям следует использовать основную литературу из представленного списка, а также руководствоваться приведенными указаниями и рекомендациями. Для наиболее глубокого освоения дисциплины рекомендуется изучать литературу, обозначенную как «Дополнительная» в представленном списке. На семинарских занятиях рекомендуется принимать активное участие в обсуждении проблем, возникающих при решении учебных задач, развивать способность на основе полученных знаний находить наиболее эффективные решения поставленных проблем по тематике семинарских занятий. Студенту рекомендуется следующая схема подготовки к семинарскому занятию: проработка конспекта лекций; чтение рекомендованной основной и дополнительной литературы по изучаемому разделу дисциплины; решение домашних задач. При выполнении упражнения или задачи нужно сначала понять, что требуется в задаче, какой теоретический материал нужно использовать, наметить план решения задачи. При возникновении затруднений следует сформулировать конкретные вопросы к преподавателю. 15.3. Подготовка к экзамену. Требования к организации подготовки к экзаменам те же, что и при занятиях в течение семестра, но соблюдаться они должны более строго. При подготовке к экзаменам у студента должен быть хороший учебник или конспект литературы, прочитанной по указанию преподавателя в течение семестра. Вначале следует просмотреть весь материал по сдаваемой дисциплине, отметить для себя трудные вопросы. Обязательно в них разобраться. В заключение еще раз целесообразно повторить основные положения, используя при этом опорные конспекты лекций. Систематическая подготовка к занятиям в течение семестра позволит использовать время экзаменационной сессии для систематизации знаний. Если в процессе самостоятельной работы над изучением теоретического материала или при решении задач у студента возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, необходимо обратиться к преподавателю для получения у него разъяснений или указаний. В своих вопросах студент должен четко выразить, в чем он испытывает затруднения, характер этого затруднения. За консультацией следует обращаться и в случае, если возникнут сомнения в правильности ответов на вопросы самопроверки. Дополнения и изменения к рабочей программе на 201 / 201 учебный год В рабочую программу вносятся следующие изменения: _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ ______________________ Рабочая программа пересмотрена и одобрена ____________________ « »_______________201 г. на заседании кафедры Заведующий кафедрой ___________________/_______________/ Роспись Ф.И.О.