Избранные главы физики - Высшая школа экономики

Правительство Российской Федерации
Государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
Московский институт электроники и математики
Национального исследовательского университета
"Высшая школа экономики"
Общеинститутские кафедры
Кафедра Физики
Программа дисциплины
"Избранные главы физики"
для направления
"231300.68 Системы управления и обработки информации в инженерии"
уровень подготовки: магистр
Автор программы
Доцент, канд. физ.мат.наук Тяпкин Г.Н.
tyapkin@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры физики _______ 2013г.
Зав.кафедрой _____________ Сезонов Ю.И.
Утверждена УС Московского института электроники и математики
НИУ ВШЭ "_____"________20 г.
Ученый секретарь В.П.Симонов __________________(подпись)
Москва, 2013
1. Пояснительная записка
Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины "Избранные главы физики "
устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет
содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, и
студентов направления "231300.68 Прикладная математика" с уровнем подготовки
магистр, изучающих дисциплину "Избранные главы физики".
Программа разработана в соответствии с
 образовательным стандартом федерального государственного автономного
образовательного учреждения высшего профессионального образования национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики".

Рабочим учебным планом университета по указанному выше направлению
подготовки магистров, утвержденным от 24.06 2011г, №26.
Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс
компетенций:
изучения
дисциплины
направлен
на
формирования
следующих
СК-М1, СК-М2, СК-М3, СК-М4, СК-М5, СК-М6, СК- М7, СК-М8, ИК-М3.1.ПД(ПИ)
ИК-М3.2 ПД(ПИ).
Студент должен иметь способность
- понимать и осваивать научные методы и способы практической деятельности(СК-М1)
- рассматривать и предлагать концепции, модели, создавать и апробировать новые
способы и инструменты для практики (СК-М2);
- самостоятельно освоить новые методы исследований, варьировать научную и
производственную деятельность (СК-М3);
- к совершенствованию и развитию интеллектуального и культурного уровня, оценивать
карьерную перспективу (СК-М4);
- ответственно принимать управленческие решения (СК-М5);
- к анализу, верификации, оценки полноты информации различного происхождения (СКМ6);
- организовать многосторонние коммуникации и управлять ими (СК-М7);
- к умению строить и использовать модели для описания и прогнозирования различных
явлений и их анализировать (ИК-М3.1.ПД(ПИ));
- формировать технические задания (ИК-М3.2ПД(ПИ));
а также представлять социальную значимость своей будущей профессии, цели и смысл
государственной
службы,
обладать
высокой
мотивацией
к
выполнению
профессиональной деятельности в области обеспечения безопасности и защиты интересов
личности , общества и государства, готовностью и способностью к активной и
состязательной деятельности в условиях развития информатики и вычислительной
техники.
Образовательные результаты обучающегося,
формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины "Избранные главы физики" студент должен
Знать:
- основные законы квантовой механики, составляющие тематическую основу избранных
глав физики, примеры практического применения этих законов;
- физические явления и эффекты, используемые в будущей профессиональной
деятельности студента.
Уметь:
- на основе законов квантовой механики решать типовые задачи квантовой механики;
- применять законы квантовой механики при решении практических задач;
- описывать различные физические явления и процессы в рамках квантовых
представлений.
Владеть:
- навыками использования стандартных методов квантовой механики и применения их к
решению прикладных задач;
- методами теоретического исследования физических явлений и процессов;
- методами проведения физического эксперимента.
Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина "Избранные главы физики" читается студентам магистратуры программы
"системы управления и обработки информации в инженерии" (направление 231300.68)
факультета прикладной математики и кибернетики на кафедре физики МИЭМ НИУ
ВШЭ.
Она занимает два модуля. Всего 32 лекционных часов, 32 часов отводится на
семинарские занятия. Зачет проводится в конце второго модуля обучения (2 часа).
Самостоятельная работа - 80 часов. Лабораторные работы, контрольная работа и
коллоквиум не предусмотрены.
Всего 144 часа.
Изучение дисциплины "Избранные главы физики" основывается на следующих
дисциплинах:
математика. физика в объеме, предусмотренном в предыдущих семестрах.
Для освоения дисциплины студент должен владеть следующими знаниями и
компетенциями:
- знать основные законы физики, изложенные в курсе общей физики;
- знать простейшие методы решения физических задач;
- знать основные положения высшей математики.
Основные положения дисциплины должны быть использованы студентом в
дальнейшей производственной практике.
II. Тематический план учебной дисциплины
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Название темы
Всего
часов по
дисципл
ине
Аудиторные часы
Лекции
Первый модуль
Лекций - 16 часов. Семинаров - 16 часов.
Самостоятельная работа - 40 часов.
Элементы квантовой оптики
8.5
2
Тепловое излучение
10.5
3
Атом Бора
8
2
Пространственное квантование
7
2
Волновые свойства частиц
8
1
Соотношения неопределенностей,
9.5
1.5
волновая функция
Уравнение Шредингера
8.5
1.5
Применение
уравнения
12
3
Шредингера
Итого в первом модуле
72
16
Второй модуль
Лекций -16 часов. Семинаров - 16 часов.
Самостоятельная работа - 40 часа.
Форма итогового контроля - зачет
Операторный метод
16
4
Основные положения квантовой
6.5
1
механики
Примеры операторов физических
8.5
1
величин
Теоремы Эренфеста
5.5
1.5
Квантование атомов
Элементы квантовой статистики
Атомное ядро. Радиоактивность
Элементарные частицы
Итого во втором модуле
16
6.5
6
7
72
3
2.5
2
1
16
Семинары
Самостоя
тельная
работа
2.5
2.5
2
1
2
2
4
5
4
4
5
6
1
3
6
6
16
40
5
0.5
7
5
0.5
7
1
3
6
1
1
1
16
7
3
3
5
40
III. Формы контроля студентов
Текущий контроль предусматривает работу на семинарах (Сn) , домашнее задание
(Дn), контрольную работу (Крn), коллоквиум (Колn), выполнение и сдача лабораторных
работ (Лрn). Здесь индекс " n " обозначает номер модуля.
Такие виды контроля как работа на семинарах (Сn), выполнение и сдача лабораторных
работ (Лрn) в обязательном порядке учитываются при выставлении накопленной оценки
каждого модуля.
Остальные виды контроля могут варьироваться по модулям, согласно рабочему
учебному плану.
Итоговый контроль - зачет (Зч).
Элементы текущего контроля:
Сn - оценка за работу на семинарах (n- номер модуля). Оценка выставляется как
среднее арифметическое (с учетом правил округления до целого числа баллов) оценок за
каждый семинар Сi , проводимый согласно календарному плану в данном модуле Cn =
∑𝑵
𝒏=𝟏 𝑪𝒊
, где N - количество семинаров в модуле.
Оценка за каждый семинар Ci формируется по десятибалльной шкале как взвешенная
𝑵
сумма (с учетом правил округления до целого числа) полученных оценок за выполнение
текущего домашнего задания Сдз и за активное участие в работе семинаре (решение задач
у доски и проверочные самостоятельные работы) Скл.
Студенты, не явившиеся на семинар, получают оценку
Сi = 0
баллов, явившиеся
Сi = 3
баллов.
Ci = 0.3  Сдз + 0.7  Скл .
Порядок формирования оценок по дисциплине.
Оценки складываются из:
Накопленной оценки (Н), которая формируется по десятибвлльной шкале (с учетом
правил округления до целого числа) как взвешенная сумма полученных оценок всех форм
текущего контроля, предусмотренных рабочим учебным планом данного модуля, с учетом
посещаемости занятий.
В каждом модуле формулы для расчета накопленной оценки определяются формами
текущего контроля данного модуля.
Оценки за зачет (Зч).
Результирующая оценка (Р) является взвешенной суммой накопленной оценки (Н) и
оценки за зачет (Зч): Р = 0.6Н + 0.4Зч. Если рабочим учебным планом в данном
модуле не предусмотрен экзамен/зачет, то накопленная оценка в этом модуле входит в
результирующую оценку следующего модуля, в котором предусмотрен экзамен/зачет.
Первый модуль (1-ый курс)
Элементы текущего контроля первого модуля.
C1 - оценка за работу на семинаре.
Накопленная оценка Н1 формируется по десятибалльной шкале как взвешенная сумма
полученных оценок текущего контроля по формуле:
Н1 = С1
Второй модуль (1-курс)
Элементы текущего контроля второго модуля.
C2 - оценка за работу на семинаре.
Накопленная оценка Н2 формируется по десятибалльной шкале как взвешенная сумма
полученных оценок текущего контроля по формуле:
Н2 = С2
Итоговый контроль первого и второго модуля - зачет. Оценка Зч выставляется по
десятибалльной шкале по итогам сдачи экзамена в устной форме.
Результирующая оценка P2 формируется по десятибалльной шкале как взвешенная
сумма полученных оценок текущего контроля и зачета по формуле:
Р2 = 0,6 (H 1 + Н2) + 0,4 Зч
с учетом правил округления.
Правила округления до целого числа баллов при выставлении оценок: средневзвешенная
оценка округляется до большего целого, если дробная часть оценки не ниже 0,5, в
противном случае оценка округляется до меньшего целого.
Результирующая оценка (Р) по результатам контроля и зачета ставится: "зачет" если Р > 3
и "незачет", если Р  3.
Перевод результирующей оценки (Р) за текущий контроль и экзамен по десятибалльной
шкале и оценку по пятибалльной шкале осуществляется в соответствии со следующей
таблицей.
По десятибалльной шкале
По пятибалльной шкале
1 - неудовлетворительно
неудовлетворительно - 2
2 - очень плохо
3 - плохо
4 - удовлетворительно
удовлетворительно - 3
5 - весьма удовлетворительно
6 - хорошо
хорошо - 4
7 - очень хорошо
8 - почти отлично
отлично
9 - отлично
10 - блестяще
IY. Содержание программы
Темы 1-8
1. Элементы квантовой оптики
1.1. Эффект Комптона
1.2. Фотоэффект
2.. Тепловое излучение
2.1. Законы Кирхгофа
2.2 Расчет числа стоячих электромагнитных волн
2.3 Формула Релея-Джинса
2.4 Квантовая гипотеза Планка. Формула Планка
2.5 Следствия из формулы Планка
2.6. Сплошное (тормозное) излучение
3.
Атом Бора
3.1. Атом Бора, случай круговых орбит
3.2. Постулаты Бора.
3.3. Расчет энергии, радиусов стационарный орбит, скорости электрона.
3.4 Спектры излучений.
3.5. Опыты Франка-Герца
3.6. Атом Бора, случай эллиптических орбит.
Квантовые правила Бора-Зоммерфельда.
Энергия, орбитальный момент импульса.
Гиромагнитное отношение. Орбитальный магнитный момент.
Пространственное квантование.
Вырождение квантовых состояний.
Опыт Штерна-Герлаха . Спин электрона.
Волновые свойства частиц
Гипотеза де Бройля. Оценка длин волн де Бройля
Свойства волн де Бройля. Принцип суперпозиции, фазовая и
групповая скорости, дисперсия.
5.3. Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля.
Опыты Джермера-Дэвиссона
6.
Соотношения неопределенностей, волновая функция.
6.1 Соотношения неопределенностей - следствие корпускулярно-волнового дуализма
6.2. Следствия из соотношений неопределенностей.
6.3. Волновая функция. Статистическое истолкование волновой функции. Нормировка.
Среднее значение физических величин, зависящий от координат.
7.
Уравнение Шредингера
7.1. Общее (временное) уравнение Шредингера для свободной частицы, для
частицы, находящейся в силовом поле
7.2. Общая характеристика уравнения Шредингера
7.3. Стандартные (естественные) условия для волновой функции
7.4. Стационарное состояние. Общий вид волновой функции. Стационарное
уравнение Шредингера.
8.
Применение уравнения Шредингера.
8.1. Свободное движение частицы.
8.2. Одномерный потенциальный ящик.
8.3. Потенциальная прямоугольная яма.
8.4 Представление о трехмерной яме
8.5. Гармонический осциллятор.
8.6. Одномерный прямоугольный потенциальный барьер бесконечной ширины.
8.7. Одномерный прямоугольный потенциальный барьер конечной ширины.
Туннельный эффект.
8.8. Холодная эмиссия электронов.
Темы 9-16
9.
Операторный метод.
9.1. Представление об операторах.
9.2 Линейные самосопряженные операторы.
9.3. Условие одновременного измерения физических величин.
9.4. Принцип дополнительности.
10. Основные положения квантовой механики.
10.1 Среднее значение физических величин.
11. Примеры операторов физических величин.
11.1. Операторы координаты, потенциальной энергии, импульса, кинетической энергии,
гамильтониан, квадрата момента импульса, проекции момента импульса.
11.2. Дифференцирование операторов по времени.
12. Теоремы Эренфеста.
12.1. Закон сохранения энергии в квантовой механике.
13. Квантование атомов..
13.1. Атом водорода, основное состояние
13.2. Атом водорода , общий случай. Квантовые числа.
13.3. Спектры излучения. Правила отбора.
3.7
3.8.
3.9
4
4.1
4.2.
5.
5.1.
5.2
13.4. Атомы щелочных металлов (на примере Li).
13.5. Уравнение Шредингера.
Потенциальная энергия валентного электрона (дипольная поправка).
13.6. Частичное снятие вырождения. Спектры излучения: главная, резкая, диффузная.
13.7. Спин-орбитальное взаимодействие.
13.8. Полный момент импульса отдельного электрона.
13.9. Характеристическое рентгеновское излучение.
14.
Элементы квантовой статистики.
14.1. Неразличимость одинаковых частиц.
14.2. Симметричные и асимметричные
волновые функции системы тождественных частиц
(на примере потенциального ящика с двумя
невзаимодействующими частицами).
14.3. Фермионы и бозоны. Принцип запрета Паули.
14.4. Распределение Ферми-Дирака.
14.5. Тепловое излучение с фотонной точки зрения. Спонтанное и вынужденное
(индуцированное) излучение. Формула Планка.
14.5. Распределение Бозе-Эйнштейна для фотонов, в общем случае.
Конденсация фотонов.
15.
Атомное ядро, радиоактивность.
15.1 Характеристики атомного ядра.
15.2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. -распад, - распад. Нейтрино.
- излучение.
15.3. Энергия связи.
15.4 Ядерные реакции.
16.
Элементарные частицы.
Основная литература
1. Трофимова Т.И. Курс физики. М., Academa, 2005г. (или другие издания)
2. Савельев И.В. Курс общей физики , книга 5 (в пяти книгах).М., Астрель. АСТ, любой
год издания.
3. Тяпкин Г.Н. Квантовая механика (курс лекций), МИЭМ.2013г.
4. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики. М., "Оникс 21 век" "Мир и
Образование" 2005г. (возможны более последние изд).
5. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике, любой год издания любого
издательства.