Методические указания к самостоятельной работе студентов рассмотрены и одобрены на заседании кафедры-разработчика Общей и прикладной физики.

12. 10. 2016 г. протокол № 2.

^дата

 

 

Рецензент – Мурашова З.Ф. к. ф.- м. н., доцент кафедры общей и прикладной физики

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Общие организационно-методические указания.

2. Содержание учебной дисциплины.

2.1. Тематический план.

2.2. Перечень лабораторных работ.

2.3. Как работать в физической лаборатории.

2.4. Решение задачи по физике.

2.5. Перечень практических занятий.

3. Формы контроля.

3.1. Наименование и содержание контрольной работы.

3.2. Вопросы к зачету.

3.3. Образец варианта контрольной работы.

4. Список рекомендуемой литературы.

 

 

1. Общие организационно-методические указания

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы

Виды учебной нагрузки	Номер семестра и число часов	Всего Часов
Лекции
Практические занятия
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Всего часов по дисциплине
Формы контроля, количество
Экзамен	-	-
Зачет
Курсовая работа (проект)	-	-
Кол - во РГЗ/контр. работ	-/+	-/+

 

 

 

Целью дисциплины «Физика (основы компьютерной электроники)» является подготовка бакалавров в соответствии с квалификационной характеристикой бакалавра и рабочим учебным планом направления 230700.62 «Прикладная информатика»:

Задачи изложения и изучения дисциплины – овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями современной физики; ознакомление с методами физических исследований; ознакомление с современной научной аппаратурой, принципами работы устройств, используемых в компьютерной технике, усвоение физических законов и явлений, лежащих в основе компьютерной электроники и используемых в практической работе по специальности.

 

Требования к уровню подготовки специалиста в рамках дисциплины «Физика (основы компьютерной электроники)»

Изучение дисциплины «Физика (основы компьютерной электроники)» направлено на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО по направлению 230700.62 «Прикладная информатика»:

а) общекультурных (ОК):

способен понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ОК-13);

б) профессиональных (ПК):

способен использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности и эксплуатировать современное электронное оборудование и информационно-коммуникационные технологии в соответствии с целями образовательной программы бакалавра (ПК - 3);

способен анализировать рынок программно – технических средств, информационных продуктов и услуг для решения прикладных задач и создания информационных систем (ПК - 19);

способен готовить обзоры научной литературы и электронных информационно – образовательных ресурсов для профессиональной деятельности (ПК - 22).

 

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать: физические основы элементной базы компьютерной техники и средств передачи информации; принципы работы технических устройств ИКТ.

Уметь: применять физические законы для решения практических задач.

Перечень дисциплин и их разделов, усвоение которых необходимо студентам для изучения данной дисциплины:

Высшая математика – основы дифференциального и интегрального исчисления функций одной и нескольких переменных; основы векторного анализа.

 

2. Содержание учебной дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет _ 3_ зачетных единиц, _ 108 _ часов

2.1. Тематический план

№ п\п	Содержание разделов (модулей), тем дисциплины	Количество часов, выделяемых на виды учебной подготовки	Компетенции раздела (модуля)
Лекции	ПР	ЛР	СР
	Электрическое и магнитное поле в веществе. Дипольные моменты молекул. Поляризация диэлектриков. Конденсаторы. Диэлектрики в компьютерной технике. Магнитные моменты атомов. Атом в магнитном поле. Диа-, пара- и ферромагнетики. Магнитные материалы в компьютерной технике.					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
2.	Волновая оптика. Электромагнитная природа света. Волновое уравнение. Интерференция света. Когерентность. Просветление оптики. Интерференционные приборы. Дифракция света. Дифракционная решетка. Разрешающая способность. Элементы Фурье-оптики. Пространственная фильтрация световых пучков. Голографии. Поляризация света. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации в кристаллических телах.					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
3.	Взаимодействие фотонов с электронами. Внешний фотоэлектрический эффект.					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
4.	Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера. Принцип неопределенности. Уравнение Шредингера. Прохождение частиц через потенциальный барьер..					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
5.	Физика атомов. Атомы водорода и щелочных металлов. Спин электрона. Квантовые числа. Принцип Паули. Квантовые генераторы.					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
6.	Квантовая статистика. Статистики Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Квантовая теория теплоёмкости.					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
7.	Проводимость металлов и полупроводников. Носители тока, подвижность, концентрация. Зависимость проводимости полупроводников от температуры.					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
8.	Контактные и термоэлектрические явления. Термоэлектронная эмиссия, явление Зеебека, явление Пельтье, явление Томсона. Р-п — переход.					ОК-13, ПК-3; ПК-19, ПК-22
	Итого за семестр
	Итого за курс

 

2.2. Перечень лабораторных работ

 

№ п / п	Наименование лабораторных работ	Кол-во часов	№ темы по табл. 1
	1 семестр
1.	Введение в физический практикум. Расчет погрешностей эксперимента.		1 - 8
2.	Лабораторная работа «Изучение распределения магнитного поля соленоида и определение его индуктивности».
3.	Лабораторная работа «Снятие кривой намагничивания и петли гистерезиса для магнитомягких материалов с помощью осциллографа».
4.	Лабораторная работа «Определение радиуса кривизны линзы с помощью явления интерференции»
5.	Лабораторная работа «Изучение явления дифракции лазерного излучения»
6.	Лабораторная работа: «Изучение поляризации света».
7.	Лабораторная работа: «Изучение явления фотоэффекта с помощью вакуумного фотоэлемента».
8.	Лабораторная работа «Определение массы электрона и радиуса первой боровской орбиты атома водорода»
9.	Лабораторная работа «Изучение зависимости сопротивления полупроводников от температуры».
	Итого за семестр:		1 - 8

2.3. Как работать в физической лаборатории

Физический практикум (учебные лабораторные работы по физике) ‑ один из видов учебных занятий при изучении курса физики.

Лабораторные занятия проводятся в лаборатории электричества и магнетизма и в лаборатории оптики и атомной физики кафедры Общей и прикладной физики.

В лаборатории электричества и магнетизма изучаются процессы, происходящие в телах под действием электрического и магнитного полей, особенности протекания электрического тока в различных материалах, электрические и магнитные свойства тел.

В лаборатории оптики и атомной физики основное внимание обращается на анализ процессов, происходящих в различных средах под действием света, изучаются спектральные характеристики объектов, закономерности распространения световых волн, элементы атомной физики.

По цели, объему и содержанию лабораторные работы различаются между собой. Вместе с тем в методах их выполнения имеется много общего. Более того, сравнительный анализ процессов выполнения учебной лабораторной работы и проведения научного эксперимента с использованием стандартной методики показывает, что лабораторный и экспериментальный методы имеют много общего ‑ в обоих случаях необходимо преодолевать одни и те же этапы: формулировка цели работы; анализ физических основ метода её выполнения; разработка последовательности операций выполнения работы; выделение величин, получаемых прямыми и косвенными измерениями; сборка установки, проведение измерений, запись результатов работы и установление их надежности; математическая обработка результатов измерений и определение их погрешности; систематизация и обобщение результатов, формулировка выводов и т.п.

Если сделать такой подход к работам обязательным для себя, то постепенно он станет привычным. Последнее немаловажно при выполнении лабораторных практикумов по другим дисциплинам.

Таким образом, физический практикум важен, полезен и профессионально необходим, т.к. позволяет приобрести умения и навыки, нужные в наше время каждому специалисту.

Как готовиться к выполнению лабораторной работы

Большинство лабораторных работ, имеющихся в лабораториях кафедры физики, не фронтальные, а индивидуальные. По своему содержанию они охватывают практически все разделы теоретического курса. В начале семестра до сведения каждого студента доводится полный перечень лабораторных работ, которой ему надлежит выполнить и защитить до начала экзаменационной сессии. Темы ряда лабораторных работ могут опережать темы лекций. Поэтому из всех форм занятий по физике самостоятельная работа по подготовке к занятиям физического практикума наиболее важна. При этом необходимо иметь в виду, что каждая лабораторная работа по физике рассчитана на два часа, включая её выполнение и защиту. В часы самоподготовки вы должны самостоятельно изучить теоретический материал по теме лабораторной работы и заполнить специальный бланк (протокол) работы с основными теоретическими положениями и расчет­ными формулами.

Подготовку к конкретной лабораторной работе начинайте со знакомства с описанием работы, приведенным в методических указаниях. Рекомендуем обратить внимание на следующее:

- цель данной лабораторной работы;

- физическое явление, изучаемое в данной работе, и какими зависимостями связаны величины, его описывающие;

- основные особенности объекта исследования (образец, поток частиц, излучение);

- физические основы используемых в работе методов измере­ния искомых величин;

- принципиальная схема используемой установки и назначение каждого из ее узлов;

- последовательность выполнения этапов лабораторной ра­боты;

- основные законы и формулы, на которых базируется работа;

- определение величин, измеряемых в работе, их физический смысл;

- приборы, используемые в работе, и их характеристики;

- оценка погрешности полученного результата.

В методических указаниях, как правило, содержатся лишь краткие сведения о физических явлениях, изучаемых в работе. Поэтому для более основательной подготовки к выполнению лабораторной работы рекомендуется проработать необходимые теоретические вопросы по конспекту лекций и учебным пособиям.

При подготовке теоретической части работы обратите внимание на формулировки физических законов, используемых в работе; определения физических величин, входящих в работу, и единицы их измерения в СИ; табличные значения определяемых величин, если они существуют; используемую рабочую формулу и её вывод.

Основные теоретические положения работы и записи, связанные с выполнением эксперимента непосредственно в лаборатории, должны быть отражены в бланке протокола работы. Он должен быть подготовлен до начала работы.

Конспект теоретической части работы должен быть кратким, но сопровождаться исчерпывающими пояснениями и необходимыми рисунками и схемами.

Проверить степень своей готовности к выполнению конкретной лабораторной работы можно с помощью контрольных вопросов, приводимых в конце работы.

Контрольные вопросы, общие для всех работ физического практикума

1. Какова цель работы?

2. Какие задачи в ходе опыта и обработки результатов придется решать для достижения цели?

3. Какое физическое явление изучается в данной работе?

4. Какими зависимостями связаны величины, описывающие исследуемое физическое явление?

5. Какие физические явления положены в основу экспериментального метода определения требуемых величин?

6. Какая теоретическая зависимость может быть проверена в данном конкретном опыте?

7. Какие допущения сделаны при описании теории метода?

8. Каково назначение экспериментальных узлов установки?

9. Физическая сущность эффекта, исследованного в данной работе?

10. Какое уравнение позволяет найти искомую величину или нужную зависимость на основании опытных данных?

11. Какие постоянные (табличные данные, характеристики образца и установки) нужны для определения искомой величины по данным опыта?

12. Какие графики должны быть построены по результатам работы?

13. Как будет определена погрешность прямых измерений?

14. Как придется оценивать погрешность конечного результата?

15. Какие таблицы нужны в протоколе для записи результатов измерений?

16. Можно ли сопоставить результаты эксперимента с табличными данными?

Порядок выполнения лабораторной работы и проведения измерений

К выполнению лабораторной работы студенты допускаются только после собеседования с преподавателем, ведущим занятия. Во время собеседования проверяется правильность заполнения бланка лабораторной работы, знание основных физических законов и величин, содержащихся в работе, умение работать с прибо­рами и проводить измерения и т.д.

Оформление отчета и защита лабораторной работы

Отчет завершает лабораторную работу и обобщает результаты всех предшествующих этапов её выполнения. Поэтому он (т.е. в протоколе работы) обязательно должен содержать:

· цель и задачи работы;

· схема установки;

· краткие теоретические сведения и краткое описание методи­ки эксперимента;

· рабочие формулы с обязательной расшифровкой входящих в них величин;

· сводные таблицы и графики;

· окончательные результаты с учетом погрешностей;

· общие выводы по работе.

Все вычисления, в том числе и промежуточные, занесите в протокол работы. При этом прежде всего записывайте формулу, затем подставляйте в нее числовые значения всех величин и за­писывайте окончательный результат.

Такая схема позволит при необходимости быстро проверить правильность результата.

После оформления отчета студент должен сдать зачет по работе.

 

 

Перечень лабораторных работ

Таблица 2

№ п / п	Наименование лабораторных работ	Кол-во часов	№ темы по табл. 1
	1 семестр
1.	Введение в физический практикум. Расчет погрешностей эксперимента.		1 - 8
2.	Лабораторная работа «Изучение распределения магнитного поля соленоида и определение его индуктивности».
3.	Лабораторная работа «Снятие кривой намагничивания и петли гистерезиса для магнитомягких материалов с помощью осциллографа».
4.	Лабораторная работа «Определение радиуса кривизны линзы с помощью явления интерференции»
5.	Лабораторная работа «Изучение явления дифракции лазерного излучения»
6.	Лабораторная работа: «Изучение поляризации света».
7.	Лабораторная работа: «Изучение явления фотоэффекта с помощью вакуумного фотоэлемента».
8.	Лабораторная работа «Определение массы электрона и радиуса первой боровской орбиты атома водорода»
9.	Лабораторная работа «Изучение зависимости сопротивления полупроводников от температуры».
	Итого за семестр:		1 - 8

 

 

2.4. Решение задачи по физике

Умение решать задачи - необходимое для каждого инженера профессиональное качество. Учебные задачи по различным дисциплинам и инженерно- технические задачи имеют общую структуру процесса решения. Решение любой задачи, в том числе и инженерной, складывается из четырех этапов:

1. Изучение (анализ) содержания задачи, краткая запись условий и требований;

2. Поиск способа (принципа) решения и составление его плана;

3. Осуществление, проверка правильности и оформление решения;

4. Анализ (обсуждение) проведенного решения, отбор инфор­мации, полезной для дальнейшей работы.

Завершив все четыре вышеназванных этапа, вы можете считать задачу решенной.

 

 

2.5. Перечень практических занятий ^[1]

№	Наименование практических работ	Кол-во часов	Номера задач для аудиторного решения	Номера задач для домашнего решения
1.	Электрическое и магнитное поле в веществе		27.2; 27.4; 27.7; 27.11; 27.18; 27.19	27.5; 27.17; 27.20
2.	Волновая оптика.		30.27; 31.29; 32.13; 32.20; 33.2	30.4; 31.2; 32.1; 32.15; 32
3.	Квантовая оптика		35.4; 35.9; 36.2; 36.3; 36.6; 37.5; 39.1; 39.7;	35.2; 35.5; 36.5; 36.7; 37.2; 39.10
4.	Волновые свойства частиц		45.2; 45.14; 45.15; 45.21; 45.33	45.!; 45.19; 45.22
5.	Атомная физика		46.4; 46.19; 46.76; 47.7	46.9; 46.16
6.	Квантовая статистика		51.5; 51.17, 51.23; 51.26; 51.31	51.5; 51.17; 51.23; 51.26; 51.31
7.	Проводимость металлов и полупроводников. Контактные явления в металлах и полупроводниках.		20.7; 20.11; 20.17; 20.21; 51.20	20.6; 20.10; 20.16; 51.19
	Итого за семестр:
	Итого за курс:

 

 

3. Формы контроля

№ п/п	Наименование и содержание форм контроля	Срок выполн.
1.	Контрольная работа	15 неделя
2.	Защиты лабораторных работ	3 – 15 неделя
3.	Зачёт	Зачётная сессия

 

3.1 Наименование и содержание контрольной работы

Контрольная работа по разделам: «Электричество и магнетизм. Волновая и квантовая оптика»

3.2. Вопросы к зачету

1. Дипольные моменты молекул. Поляризация диэлектриков.

2. Конденсаторы. Диэлектрики в компьютерной технике.

3. Магнитные моменты атомов. Атом в магнитном поле.

4. Диа-, пара- и ферромагнетики. Магнитные материалы в компьютерной технике.

5. Электромагнитная природа света. Волновое уравнение.

6. Интерференция света. Когерентность. Просветление оптики. Интерференционные приборы.

7. Дифракция света. Дифракционная решетка. Разрешающая способность. Элементы Фурье-оптики. Пространственная фильтрация световых пучков. Голографии.

8. Поляризация света. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации в кристаллических телах.

9. Взаимодействие фотонов с электронами. Внешний фотоэлектрический эффект.

10. Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера. Принцип неопределенности.

11. Уравнение Шредингера. Прохождение частиц через потенциальный барьер.

12. Атомы водорода и щелочных металлов. Спин электрона. Квантовые числа. Принцип Паули. Квантовые генераторы.

13. Квантовая статистика. Статистики Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна.

14. Проводимость металлов и полупроводников. Носители тока, подвижность, концентрация.

15. Контактные явления в полупроводниках.

16. Зависимость проводимости полупроводников от температуры.

17. Термоэлектронная эмиссия, явление Зеебека, явление Пельтье, явление Томсона.

 

 

3.3. Образец варианта контрольной работы

 

Мурманский государственный технический университет Кафедра обще и прикладной физики Билет № 1 1. Конденсатор емкостью С1 = 8 мкФ последовательно соединен с конденсатором неизвестной емкости, и они подключены к источнику постоянного напряжения U = 24 В. Определить емкость С2 второго конденсатора, если заряд батареи q = 12 мкКл. 2. Определить, пользуясь теоремой о циркуляции вектора В, индукцию В и напряженность Н магнитного поля на оси тороида без сердечника, если по обмотке тороида, содержащей N = 400 витков, протекает ток I = 1 А. Внешний диаметр тороида D1 = 50 см, внутренний D2 = 30 см. (µ0= 4 •10 - 7 Гн/м). 3. Определить радиус третьего светлого кольца Ньютона (k = 3) в отраженном свете, если между линзой с радиусом кривизны R = 5 м и плоской поверхностью, к которой она прижата, находится вода (n = 1,33). Свет с длиной волны λ = 0,492 мкм падает нормально. 4. Для фотокатода работа выхода равна А = 2,63 эВ. Определить при какой максимальной длине волны λm происходит фотоэффект. (h = 6,63•10-34 Дж•с). 5. Кинетическая энергия электрона (m = 9,1•10-31 кг) в атоме водорода Ек= 9 эВ. Используя соотношение неопределенностей, оценить минимальные линейные размеры (r) атома. (ћ = 1,054•10-34 Дж•с).

 

4. Список рекомендуемой литературы

Основная

Трофимова, Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова ‑ М.: Высшая школа, 1999-2004.

Детлаф, А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. ‑ М.: Высшая школа, 2002. ‑ 718 с.

Чертов А. Г., Задачник по физике / А. Г. Чертов, А. А. Воробьёв. ‑ М.: Интеграл-Пресс, М.: Высшая школа, М.: Физматлит, 2001-2006.

Савельев, И. В. Курс общей физики:в 2 т. / И. В. Савельев. ‑ М.: Наука, 1973-1989.

Дополнительная

 

Детлаф, А. А. Справочник по физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. ‑ М.: Наука, 1980 ‑ 1990. ‑ 718 с.

Трофимова, Т. И. Сборник задач по курс физики / Т. И. Трофимова ‑ М.: Наука, 1992-2002.

 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО «МГТУ»)

 

 

Кафедра Общей и прикладной физики

 

Методические указания

к самостоятельной работе студентов

по дисциплине: цикла Б.2. б.7 (математический и естественнонаучный цикл, базовая часть)

«Физика (основы компьютерной электроники)»

для направления подготовки 09.03.03

Прикладная информатика в экономике

 

Квалификация выпускника бакалавр

Форма обучения очная

Мурманск

 

[1] Практические работы выполняются по задачнику Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике, М., 2001.