Физика

Специалитет 2020/2021

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (Компьютерная безопасность)

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 2-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Бессонова Людмила Павловна, Попова Елена Арнольдовна, Святодух Маргарита Игоревна

Специальность: 10.05.01. Компьютерная безопасность

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 64

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Физика – наука, изучающая общие свойства и законы движения вещества и поля (А.Ф.Иоффе). Вещество и поле встречаются в любых материальных системах, поэтому физика составляет основу всего современного естествознания. Специалисты, получившие широкое физико-математическое образование, могут самостоятельно осваивать новые технические направления, успешно работать в них, легко переходить от решения одних задач к решению других, искать нестандартные и нетрадиционные пути, что особенно важно для профессиональной мобильности специалистов в условиях ускоренного развития техники. Основными задачами курса физики являются формирование научного мировоззрения и современного физического мышления. Изучение основных физических явлений и идей, овладение фундаментальными понятиями, принципами, законами и теориями современной физики, а также получение навыков проведения физического эксперимента вырабатывает специфический метод мышления, физическую интуицию, которые оказываются весьма плодотворными и в других науках. Последовательное изучение курса физики способствует формированию современных представлений в области механики, термодинамики и статистической физики, электричества и магнетизма, основ теории колебаний и волн, оптики, основ квантовой физики и физики твердого тела, атомной и ядерной физики. Овладение приемами и методами решения конкретных задач из различных областей физики помогут в дальнейшем решать практические задачи. Дисциплина «Физика» читается студентам специалетета программы «Компьютерная безопасность» (направление 10.05.01.) Департамента Прикладной математики преподавателями Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ. Физика относится к числу обязательных дисциплин математического и естественно-научного цикла базового учебного плана и предлагается студентам с третьего модуля 1-ого года обучения по второй модуль второго года обучения. Продолжительность курса составляет 342 часа (в рамках 4 модулей). Из них 148 аудиторных учебных часов включают лекции, семинары и лабораторные работы. Помимо этого, 194 часов в курсе отводится под самостоятельную работу студентов. Предусмотренный учебным планом текущий контроль по дисциплине включает: контрольные работы, коллоквиумы, лабораторные работы и семинары. Экзамен проводится в четвертом модуле 1-ого года обучения и во втором модуле 2-ого года обучения.

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Физика» являются: • формирование современного естественнонаучного мировоззрения; • получение базовых знаний по подготовке к производственной деятельности; • формирование профессиональных компетенций, связанных с использованием полученных знаний в дальнейшей производственной деятельности.

Планируемые результаты обучения

знает основные явления и законы волновой оптики
решает типовые прикладные физические задачи
владеет навыками проведения физического эксперимента и обработки его результатов
знает основные явления и законы квантовой оптики
знает основы квантовой механики
знает основные положения атомной физики
знает основные явления и закономерности физики твердого тела
знает основные понятия и закономерности физики атомного ядра и элементарных частиц

Содержание учебной дисциплины

Тема 7. Волновая оптика
• Основные определения и законы геометрической оптики. Корпускулярная и волновая теории света. • Принцип Гюйгенса. Когерентность. Интерференция света. Связь разности фаз и оптической разности хода. Расчет интерференционной картины от двух источников. Методы наблюдения интерференции: метод Юнга, зеркала Френеля, бипризма Френеля. Интерференция в тонких пленках: полосы равного наклона и равной толщины. Кольца Ньютона. Просветление оптики. • Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция на круглом отверстии и диске. Зонные пластинки. Дифракция Фраунгофера на одной щели. Дифракция Фраунгофера на двух щелях. Дифракционная решетка. Разрешающая способность оптических приборов. Разрешающая способность дифракционной решетки. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэггов. • Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Угол Брюстера.
Тема 8. Квантово-оптические явления
• Тепловое излучение. Характеристики теплового излучения. Черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Формула Планка. Следствия из формулы Планка. Применение законов теплового излучения. • Фотоэффект. Вольт-амперная характеристика фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. • Эксперименты, подтверждающие квантовые свойства света. • Масса и импульс фотона. Давление света. • Эффект Комптона. • Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
Тема 9. Элементы квантовой механики
Модели атома Томсона и Резерфорда. Линейчатый спектр атома водорода. Формула Бальмера. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца. Правило квантования круговых орбит. Спектр атома водорода по Бору. Гипотеза де Бройля. Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля. Некоторые попытки физического толкования волн де Бройля. Cтатистический смысл волн де Бройля. Соотношения неопределенностей для координат и проекций импульсов, энергии и времени. Волновая функция. Вероятность нахождения микрочастицы. Нормировка волновой функции. Принцип суперпозиции состояний (волновых функций). Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Представление физических величин с помощью операторов. Собственные значения и собственные функции линейных операторов. Условия возможности одновременного измерения различных физических величин. Основные операторы квантовой механики. Уравнение Шредингера в операторной форме. Связь квантовой механики с классической. Теорема Эренфеста. Принцип причинности в квантовой механике. Движение свободной частицы. Движение частицы в одномерном потенциальном ящике с бесконечно высокими стенками. Отражение и прохождение частицы сквозь потенциальный барьер бесконечной ширины. Коэффициенты отражения и прохождения. Анализ поведения частицы в зависимости от соотношения между Е и . Потенциальный барьер конечной ширины. Туннельный эффект. Анализ поведения частицы в зависимости от соотношения между Е и U_0. Потенциальная яма со стенками конечной высоты. Анализ поведения частицы в зависимости от соотношения между Е и U_0. Гармонический осциллятор.
Тема 10. Атомная физика
• Уравнение Шредингера для атома водорода. 1s – состояние электрона в атоме водорода. • Магнитные моменты атомов. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Спин-орбитальное взаимодействие. Эффект Зеемана. • Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Распределение электронов по энергетическим уровням атома. Периодическая система элементов Менделеева. • Рентгеновские спектры.
Тема 11. Элементы физики твердого тела
• Вынужденное излучение. Лазеры. • Энергетические зоны в твердом теле. Металлы, диэлектрики, полупроводники в свете зонной теории. • Коллективные квантовые явления: сверхпроводимость, эффект Джозефсона (стационарный и нестационарный).
Тема 12. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
• Заряд, размеры и состав атомного ядра. Массовое и зарядовое число. Энергия связи и масса ядра. Спин и магнитный момент. Ядерные силы. Модели ядра. • Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада. Правило смещения. Особенности - распада. Особенности - распада. -излучение. • Ядерные реакции и их основные типы. • Типы взаимодействия элементарных частиц. Частицы и античастицы. Классификация элементарных частиц. Кварки.

Элементы контроля

Семинары
Лабораторные работы
Оценка за каждую лабораторную работу является блокирующей, т.е если за одну из лабораторных работ получена оценка Лрi =0 баллов, то выставляется результирующая оценка за выполнение и сдачу лабораторных работ Лр =0 баллов (за данный аттестационный период) и промежуточная оценка (Паi) в целом приравнивается к 0 баллов до тех пор, пока студент не получит положительную оценку за данную лабораторную работу. Когда студент получит положительную оценку за данную лабораторную работу (сразу или на пересдаче), то результирующая оценка за Лабораторные работы и промежуточная оценка (Па) рассчитывается с учетом полученной положительной оценки. C 16.11.2020 Лабораторные работы проводятся в онлайн формате. Студенты на платформе Zoom сдают Теорию по материалам данной работы. Оценка за работу, осуществляемую в онлайн формате, является оценкой за Теорию.
Контрольная работа
Тематика контрольной работы – Волновая оптика и Квантово-оптические явления. Контрольная работа проводится в письменной форме 60 мин на 5-ом семинарском занятии 1-ого модуля.
Коллоквиум
Тематика коллоквиума - квантово-оптические явления. Коллоквиум проводится в письменной форме 20 мин на 5-ом семинарском занятии 1-ого модуля.
Экзамен
Экзамен проводится в конце второго модуля. Темы экзамена: элементы квантовой механики, атомная физика, элементы физики твердого тела, элементы физики атомного ядра и элементарных частиц. В условиях пандемии Экзамен проводится в устной форме на платформе Zoom. Для прохождения экзамена студент обязан иметь компьютер, видеокамеру и микрофон. Идентификация личности студента происходит при входе в конференцию Zoom по паспорту. При нарушении связи более чем на 5 мин. на любом этапе прохождения экзамена, студент приглашается на пересдачу в период переэкзаменовок. Преподаватель вправе освободить от прохождения экзамена студентов, прошедших процедуру защиты домашнего задания (подробнее в разделе Промежуточная аттестация).
Тест
Тематика теста - Волновая оптика
Домашнее задание
Тематика домашнего задания – Элементы квантовой механики и Атомная физика. Домашнее задание проводится в середине 2-ого модуля. Задание выдается студенту на одну неделю. После проверки домашнего задания и выставления оценки, происходит показ работ (защита). По графику, составленному преподавателем, индивидуально с каждым студентом на платформе Zoom происходит защита своего домашнего задания. При защите студент должен ответить на уточняющие и дополнительные вопросы преподавателя по темам, входящим в домашнее задание. Преподаватель оценивает ответы студента по 10-ти бальной системе. В процедуре защиты может участвовать преподаватель, который ведет семинары, лектор и сторонний преподаватель. После прохождения студентом процедуры защиты, лектор вправе освободить студента от прохождения экзамена. (Подробнее в разделе Промежуточная аттестация).

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.12 * Домашнее задание + 0.06 * Коллоквиум + 0.12 * Контрольная работа + 0.12 * Лабораторные работы + 0.12 * Семинары + 0.06 * Тест + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины