Учебно-методический комплекс дисциплины
«Физика волновых процессов и Электродинамика СВЧ»
Часть 1
"Физика волновых процессов"
| Направление подготовки | 011800 – Радиофизика |
| Профиль подготовки | Физика радиоволн |
| Квалификация (степень) выпускника | Бакалавр |
| Форма обучения | Очная |
Разработчик профессор кафедра радиофизики, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Вертоградов Г.Г.
Ростов-на-Дону – 2012г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Рабочая программа по курсу «Физика волновых процессов». 5
1.1. Цели освоения дисциплины.. 5
1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата. 5
1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины "Физика волновых процессов" 5
1.4. Структура и содержание дисциплины "Физика волновых процессов". 6
2. Учебно-тематический план дисциплины "Физика волновых процессов". 9
2.1.Учебно-тематический план лекционных занятий. 9
2.2. Учебно-тематический план самостоятельной работы студентов. 12
2.3. Литература для самостоятельной работы по учебно-тематическому плану. 13
2.4. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. 14
2.5. Материально-техническое обеспечение дисциплины "Физика волновых процессов". 20
3. Учебные модули. 21
3.1. Содержание модуля 1. 21
3.2. Контрольные задания для модуля 1. 21
3.3. Содержание модуля 2. 22
3.4. Контрольные задания для модуля 2. 23
3.5. Содержание модуля 3. 24
3.6. Контрольные задания для модуля 3. 24
3.7. Содержание модуля 4. 25
3.8. Контрольные задания для модуля 4. 25
4. Самостоятельная работа студентов. 26
5. Мониторинг процесса обучения. 26
УЧЕБНАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ... 27
6. Перечень возможных вариантов экзаменационных вопросов. 28
7. Глоссарий (толковый словарь терминов). 29
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины "Физика волновых процессов". 33
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
________________ В.С. Малышевский
«_____»______________2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Физика волновых процессов и Электродинамика СВЧ»
Часть 1
"Физика волновых процессов"
Направление подготовки 011800 – Радиофизика
Профиль подготовки Физика радиоволн
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Кафедра _________ радиофизики _________
Курс __ 4 ______ семестр __ 8 _________
Форма обучения ______ очная _____________
| Программа разработана | профессором кафедра радиофизики, доктором физико-математических наук, старшим научным сотрудником Вертоградовым Г.Г. |
Рецензент(ы) зав. кафедры радиофизики, д.ф.-м.н., профессор Заргано Г.Ф.
(должность, Ф.И.О., ученая степень, звание рецензента(ов) программы)
Ростов-на-Дону – 2012г.
| Рекомендована к утверждению решением учебно-методического совета физического факультета | Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании выпускающей кафедры радиофизики физического факультета, реализующей ООП ВПО | |
| протокол заседания № 2 от | протокол заседания № 2 от | |
| «29» августа 2012 г. | «11» сентября 2012 г. | |
| А.С. Богатин | Г.Ф. Заргано | |
| (подпись, Ф.И.О. председателя) | (подпись, Ф.И.О. зав. кафедрой,) |
1. Рабочая программа по курсу «Физика волновых процессов»
Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины (модуля) " Физика волновых процессов " являются:
- изучение основных понятий и закономерностей распространения волн различной физической природы в средах с различными свойствами;
- освоение методов решения задач, связанных с возбуждением и распространением волн в различных средах;
- описание основных эффектов и процессов в линейной и нелинейной радиофизике.
Основными задачами изучения дисциплины являются:
- изучение общих закономерностей волновых явлений различной физической природы в различных сплошных и дискретных средах;
- изучение физических моделей, используемых при описании волновых явлений;
- демонстрация общности в протекании волновых процессов различной природы;
- формирование у студентов фундаментальных знаний об основах теории и физики процессов, происходящих при возбуждении волн и их распространении в однородных, неоднородных и анизотропных средах, а также в направляющих структурах;
- формирование навыков решения практически и теоретически важных конкретных задач с использованием арсенала высшей математики и математической физики;
- ознакомление с методами экспериментального исследования основных явлений, характеризующих волновой процесс.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина "Физика волновых процессов" относится к блоку ООП Б3 – профессиональный цикл и связана с дисциплинами "Электродинамика", "Распространение электромагнитных волн", "Каналы передачи данных".
Перечень дисциплин, освоение которых необходимо студентам для изучения курса.
Математический анализ. Дифференциальное и интегральное исчисление.
Аналитическая геометрия и линейная алгебра.
Векторный и тензорный анализ.
Общая физика: механика, электричество, оптика.
Теоретическая физика: электродинамика и электронная теория (уравнения Максвелла, квазистационарные процессы, электромагнитные волны в вакууме и среде).
Освоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для курсов:
"Распространение электромагнитных волн", "Каналы передачи данных".
1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины "Физика волновых процессов"
· способностью критически переосмысливать накопленный опыт, изменять при необходимости профиль своей профессиональной деятельности (ОК‑4);
· способностью к правильному использованию общенаучной и специальной терминологии (ОК-12);
· способностью 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-19).
В процессе изучения дисциплины обучающийся приобретает следующие профессиональные компетенции:
для научно-исследовательской деятельности:
способностью использовать базовые теоретические знания (в том числе по дисциплинам профилизации) для решения профессиональных задач (ПК-1);
способностью к профессиональному развитию и саморазвитию в области радиофизики и электроники (ПК-6).
для научно-инновационной деятельности:
способностью внедрять готовые научные разработки (ПК-8).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
· Знать: основные причины и механизмы возникновения, методы описания волновых явлений; основные волновые явления, возникающие в различных разделах современной радиофизики; место и роль волновых явлений в радиофизики, физики, других науках и в технике.
· Уметь: оценивать возможность возникновения линейных и нелинейных волновых явлений в различных задачах радиофизики и в технике; качественно и количественно описывать основные волновые явления, возникающие при распространении волн в различных сплошных и дискретных средах.
· Владеть: основными понятиями и принципами современной теории волновых процессов; навыками применения полученных знаний к описанию и количественному расчету моделей волновых полей, формирующихся в средах различной природы.
1.4. Структура и содержание дисциплины "Физика волновых процессов".
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц 180 часов.
| № п/п | Раздел Дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
| Лекция | Прак. | С.работа | КСР | |||||
| Введение.Понятие о волнах. Одномерные волны. Двумерные и трехмерные волны. Стоячие волны. | ||||||||
| Монохроматические волны.Комплексная форма записи монохроматических процессов. Разложение по плоским монохроматическим волнам. Неоднородные плоские волны и волны комплексных частот. Распространение без искажения плоских монохроматических волн в линейной среде. Дисперсионное уравнение. | ||||||||
| Групповая скорость. Нераспространяющиеся и конвективные волны. Примеры простейших волновых процессов. Поперечные волны струны. Метод остановки движения. | 2, | 2, | ||||||
| Продольные одномерные волны в упругой среде. Волновое уравнение для продольных волн. Изгибные волны на упругом стержне: уравнение равновесия, волны малой амплитуды.. | 3, | 2, | Промежуточный тест №1 | |||||
| Волны в жидкости.Уравнения гидродинамики. Линеризация уравнений гидродинамики. Гравитационные волны на поверхности жидкости. Капиллярные волны. | ||||||||
| Звуковые волны. Плотность и поток энергии в звуковой волне. | ||||||||
| Волны в упругом твердом теле.Основные уравнения теории упругости. Продольные и поперечные волны в упругом твердом теле. | ||||||||
| Упругие волны. Поверхностная волна Рэлея. | Промежуточный тест №2 | |||||||
| Волны в плазме.Основные свойства плазмы. Поперечные и продольные волны в однородной изотропной плазме. | ||||||||
| Затухание Ландау. Продольные волны в плазме. Ионно-звуковые волны. | 9, | 2, | ||||||
| Магнитогидродинамические волны в плазме. | ||||||||
| Электромагнитные волны в магнитоактивной плазме. | Промежуточный тест №3 | |||||||
| Волны в периодических структурах.Волновойпроцесс в одномерной цепочке. Продольные колебания при взаимодействии только смежных частиц.Электрические цепочки. | ||||||||
| Нелинейные волны. Нелинейные волны в среде без дисперсии. Одномерная бегущая волна в газовой динамике. Волны Римана. Теория мелкой воды. | ||||||||
| Нелинейная электродинамика. Качественная картина нелинейных явлений. Методы нелинейной электродинамики Ударные электромагнитные волны в двухпроводной линии с нелинейной средой. | ||||||||
| Среда с линейной вязкостью. Уравнение Бюргерса и его точное решение. Ударная волна. Электромагнитные волны в среде с потерями. Линия с нелинейным магнетиком и потерями на перемагничивание. | ||||||||
| Нелинейные волны в среде с дисперсией. Солитоны. Стационарные и нестационарные решения уравнения Кортевега-деВриза. Свойства классического солитона. | ||||||||
| Уравнение синус-Гордона. Солитон и антисолитон. Нелинейное уравнение Шреденгера. Солитон огибающей. Примеры солитонов. | ||||||||
| Самовоздействие пучков электромагнитных волн. Самофокусировка и самосжатие волновых пакетов. | Промежуточный тест №4 Контрольная №1 по домашним задачам | |||||||
| Итого | экзамен |
2. Учебно-тематический план дисциплины "Физика волновых процессов"
Учебно-тематический план лекционных занятий.
Учебно-тематический план лекций таблично (таблица 1) структурирован по модулям. План содержит четыре модуля, темы лекций с их кратким содержанием и числом аудиторных лекционных часов.
Таблица 1
| Модуль | Номер темы | Тема | Краткое содержание | Число часов |
| Введение. | Понятие о волнах. Одномерные волны. Волновое уравнение первого порядка. Уравнение Д'Аламбера. Двумерные и трехмерные волны. Стоячие волны. Плоские волны. Решение уравнения Д'Аламбера на множестве плоских и сферических волн. | |||
| Монохроматические волны. | Комплексная форма записи монохроматических процессов. Разложение по плоским монохроматическим волнам. Неоднородные плоские волны и волны комплексных частот. Распространение без искажения плоских монохроматических волн в линейной среде. Дисперсионное уравнение. Фазовая скорость. | |||
| Групповая скорость. | Волновой пакет. Групповая скорость в изотропной и анизотропной среде. Дисперсия. Геометрический смысл групповой и фазовой скорости. Соотношение Релея. Нераспространяющиеся и конвективные волны. | |||
| Примеры простейших волновых процессов. | Поперечные волны струны. Метод остановки движения. Граничные условия. | |||
| Продольные одномерные волны в упругой среде. Волновое уравнение для продольных волн. Граничный условия. | ||||
| Изгибные волны на упругом стержне: уравнение равновесия, волны малой амплитуды. Граничные условия. | ||||
| Волны в жидкости. | Волны в жидкости. Уравнения гидродинамики. Условия линеаризации уравнений гидродинамики. Нестационарное уравнение Бернулли. Гравитационные волны на поверхности жидкости. Движение частиц жидкости при распространении гравитационных волн. Капиллярные волны. Дисперсионные уравнения для гравитационных волн. | |||
| Звуковые волны. | Линеаризации уравнений гидродинамики. Уравнение Д'Аламбера для различных полей, описывающих звуковые волны. Плотность и поток энергии в звуковой волне. | |||
| Волны в упругом твердом теле. | Тензор деформации. Тензор напряжений. Основные уравнения теории упругости. Закон Гука. Продольные и поперечные волны в упругом твердом теле. | |||
| Поверхностные упругие волны. | Поверхностная волна Рэлея. Решение волновых уравнений. Поляризация волн Рэлея. Дисперсионное уравнение и скорость волн Рэлея. Отношение амплитуд поперечной и продольной частей волны. | |||
| Основные понятия физики плазмы. | Основные свойства плазмы. Параметры плазмы. Квазинейтральность. Плазменная частота и дебаевский радиус. Газовое приближение. Плазменный параметр. Определение плазмы. | |||
| Волны в плазме | Поперечные и продольные волны в однородной изотропной плазме. Затухание Ландау. | |||
| Продольные ветви колебаний плазмы. | Продольные волны в плазме. Дисперсионное уравнение продольных волн в плазме. Ионно-звуковые волны. | |||
| Магнитогидродинамические волны. | Магнитогидродинамические волны в плазме. Линеаризация уравнений. Решение волновых уравнений. Дисперсионное уравнение. Групповая и фазовая скорости. | |||
| Волны в магнитоактивной плазме. | Электромагнитные волны в магнитоактивной плазме. Тензор комплексной диэлектрической проницаемости магнитоактивной плазмы. Пространственная дисперсия и плазменные волны при наличии магнитного поля. Дисперсионные характеристики. Фазовая и групповая скорости. Вращение плоскости поляризацит. | |||
| Волны в периодических структурах. | Волновойпроцесс в одномерной цепочке. Продольные колебания при взаимодействии только смежных частиц.Электрические цепочки. | |||
| Нелинейные волны. | Нелинейные волны в среде без дисперсии. Одномерная бегущая волна в газовой динамике. Волны Римана. Теория мелкой воды. | |||
| Нелинейная электродинамика. | Качественная картина нелинейных явлений. Методы нелинейной электродинамики. Ударные электромагнитные волны в двухпроводной линии с нелинейной средой. | |||
| Нелинейные волны в среде с потерями. | Среда с линейной вязкостью. Уравнение Бюргерса и его точное решение. Ударная волна. Электромагнитные волны в среде с потерями. Линия с нелинейным магнетиком и потерями на перемагничивание. | |||
| Нелинейные волны в среде с дисперсией. | Постановка задачи. Солитоны. Стационарные и нестационарные решения уравнения Кортевега-деВриза. Свойства классического солитона. | |||
| Уравнение синус-Гордона. | Уравнение синус-Гордона. Солитон и антисолитон. Нелинейное уравнение Шреденгера. Солитон огибающей. Примеры солитонов. | |||
| Самовоздействие волн. | Самовоздействие пучков электромагнитных волн. Самофокусировка и самосжатие волновых пакетов. | |||
| Итого | 72 часа |
Учебно-тематический план самостоятельной работы студентов.
Учебно-тематический план самостоятельной работы студентов таблично (таблица 2) структурирован по модулям. План содержит четыре модуля, темы самостоятельной работы с их кратким содержанием и числом часов, необходимых для самостоятельного изучения тем.
Таблица 2.
| Модуль | Номер темы | Тема | Краткое содержание | Число часов |
| Введение. | Уравнение Д'Аламбера. Плоские волны. Решение уравнения Д'Аламбера на множестве плоских и сферических волн. | |||
| Монохроматические волны. | Комплексная форма записи монохроматических процессов. Разложение по плоским монохроматическим волнам. Фазовая скорость. | |||
| Групповая скорость. | Волновой пакет. Групповая скорость в изотропной и анизотропной среде. Дисперсия. | |||
| Примеры простейших волновых процессов. | Поперечные волны струны. Продольные одномерные волны в упругой среде. Изгибные волны на упругом стержне. | |||
| Волны в жидкости. | Уравнения гидродинамики. Условия линеаризации уравнений гидродинамики. Движение частиц жидкости при распространении гравитационных волн. | |||
| Звуковые волны. | Плотность и поток энергии в звуковой волне. | |||
| Волны в упругом твердом теле. | Тензор деформации. Тензор напряжений. Основные уравнения теории упругости. Закон Гука. | |||
| Поверхностные упругие волны. | Поверхностная волна Рэлея. Решение волновых уравнений. | |||
| Основные понятия физики плазмы. | Квазинейтральность. Плазменная частота и дебаевский радиус. | |||
| Волны в плазме | Затухание Ландау. | |||
| Продольные ветви колебаний плазмы. | Ионно-звуковые волны. | |||
| Магнитогидродинамические волны. | Магнитогидродинамические волны в плазме. Дисперсионное уравнение. Групповая и фазовая скорости. | |||
| Волны в магнитоактивной плазме. | Тензор комплексной диэлектрической проницаемости магнитоактивной плазмы. | |||
| Волны в периодических структурах. | Волновойпроцесс в одномерной цепочке. | |||
| Нелинейные волны. | Одномерная бегущая волна в газовой динамике. | |||
| Нелинейная электродинамика. | Качественная картина нелинейных явлений. Методы нелинейной электродинамики. | |||
| Нелинейные волны в среде с потерями. | Уравнение Бюргерса и его точное решение. Ударная волна. | |||
| Нелинейные волны в среде с дисперсией. | Постановка задачи. Солитоны. | |||
| Уравнение синус-Гордона. | Уравнение синус-Гордона. Солитон и антисолитон. Примеры солитонов. | |||
| Самовоздействие волн. | Самовоздействие пучков электромагнитных волн. Самофокусировка и самосжатие волновых пакетов. | |||
| Итого | 25 часов |
Литература для самостоятельной работы по учебно-тематическому плану.
Модуль 1.
Тема 1. Осн.: Л1 с. 9-15, Л7 с.11-36. Доп.: Л13 с.35 - 37.
Тема 2. Осн.: Л1 с. 15-30, Л7 с.37-56. Доп.: Л13 с.37 – 39.
Тема 3. Осн.: Л1 с. 55-65, Л7 с. 81 - 85. Доп.: Л13 с.39 – 43.
Тема 4. Осн.: Л7 с. 11-36, Л2 с. 11 - 18. Доп.: Л8 с.37-54.
Модуль 2.
Тема 5. Осн.: Л5 с. 13-31.
Тема 6. Осн.: Л5 с. 350-373.
Тема 7. Осн.: Л1 с.26-30, Л6 с. 9-18, 21-25, 125-129.
Тема 8. Осн.: Л6 с. 134-141.
Модуль 3.
Тема 9. Осн.: Л7 с.379-362, Доп.: Л1 с.12-28, Л4 с.5 – 14, Л8 с.324-350.
Тема 10. Осн.: Л1 с. 55-84. Доп.: Л1 с.89-92, Л4 с.19 – 35.
Тема 11. Доп.: Л1 с.100-103, Л4 с.75-82, Л7 с.37-130.
Тема 12. Осн.: Л4 с. 327 – 332, Доп.: Л1 с. 137 – 142.
Тема 13. Осн.: Л1 с. 117-128, Л7 с. 279 – 362, Доп.: Л1 с.13-136, Л7 с.139-188.
Модуль 4.
Тема 14. Осн.: Л1 с. 141-156, Доп.: Л2 с.60-90.
Тема 15. Доп.: Л13 с. 214 – 231.
Тема 16. Осн.: Л2 с. 19–32.
Тема 17. Осн.: Л2 с. 46 – 54.
Тема 18. Осн.: Л1 с. 183 – 216, Л2 с. 60 – 64.
Тема 19. Осн.: Л2 с. 72 – 73, Л3.
Тема 20. Осн.: Л1 с. 279 – 302, Л2 с. 81 – 84, Л2 с.134–137, Л1.
