《固體物理》課程教學大綱

《固體物理》教學大綱課程名稱：固體物理英文名稱：SolidStatePhysics課程編號：F047091641學分：3總學時/課內實踐學時：48/0課程性質：必修課程開課單位：數理科學與工程學院適應對象：應用物理學專業(yè)課程簡介固體物理是物理學的重要分支，主要研究固體的微觀結構、運動狀態(tài)、物理性質及其相互關系。開設目的在于使學生系統(tǒng)掌握固體中電子等粒子的運動規(guī)律以及能帶的計算方法，掌握固體材料的常規(guī)性質和研究方法，了解固體物理領域新進展。本課程的主要內容包括：1、固體物理基本概念及固體結合方式。2、晶體結構布拉伐格子及倒格子描述方法。3、晶格振動簡諧近似及能帶理論。教學方式為講授法及討論法為主，考核方式為平時作業(yè)結合期末閉卷考試。固體物理課程是聯結基礎理論與實際應用的橋梁，其特點是面向新材料、新技術，學科交叉融合知識豐富，知識更新速度快。在教學中，應通過介紹當下前沿學術文獻，以及結合固體物理科學前輩事跡等形式，培養(yǎng)學生的科學家精神與愛國情懷。Solidstatephysicsisanimportantbranchofphysics,whichmainlystudiesthemicrostructure,motionstate,physicalpropertiesandtheirmutualrelationsofsolids.Thepurposeofthecourseistoenablestudentstosystematicallymasterthemotionlawofparticlessuchaselectronsinsolidsandthecalculationmethodofenergyband,mastertheconventionalpropertiesandresearchmethodsofsolidmaterials,andunderstandthenewprogressinthefieldofsolidphysics.Themaincontentsofthiscourseinclude:1.Basicconceptsofsolidstatephysicsandthewayofsolidstatecombination.2.CrystalstructureBravalatticeandinvertedlatticedescriptionmethod.3.Harmonicapproximationoflatticevibrationandbandtheory.Theteachingmethodismainlylecturinganddiscussionmethod,andtheassessmentmethodispeacetimehomeworkcombinedwithfinalclosedpaperexamination.Solidstatephysicscourseisabridgeconnectingbasictheoryandpracticalapplication.Itischaracterizedbynewmaterialsandnewtechnologies,richknowledgeofinterdisciplinaryintegration,andfastknowledgeupdate.Inteaching,itisnecessarytocultivatestudents'scientistspiritandpatrioticfeelingsbyintroducingthecurrentadvancedacademicliteratureandcombiningthedeedsofpredecessorsinsolidstatephysics.課程目標1、強化科學倫理教育，注重科學思維方法訓練和科學精神培養(yǎng)，提高學生分析問題和解決問題的的能力，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。2、了解固體的結構及其組成粒子之間相互作用與運動規(guī)律，了解固體物理領域的新進展，拓展學生視野，豐富跨學科知識儲備。3、使學生深入理解固體物理基本概念，有清晰的物理學思維，能夠熟練掌握基本的物理方法，并具有綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力，為以后課程打下堅實的基礎。1.Strengthenscientificethicseducation,focusontrainingscientificthinkingmethodsandcultivatingscientificspirit,improvestudents'abilitytoanalyzeandsolveproblems,andstimulatetheirpatriotismandmissionofservingthecountrythroughscienceandtechnology.2.Understandthestructureofsolidsandtheinteractionsandmotionlawsbetweentheirconstituentparticles,learnaboutnewdevelopmentsinthefieldofsolidphysics,broadenstudents'horizons,andenrichinterdisciplinaryknowledgereserves.3.Enablestudentstohaveadeepunderstandingofthebasicconceptsofsolid-statephysics,clearphysicsthinking,proficientmasteryofbasicphysicsmethods,andtheabilitytocomprehensivelyapplylearnedknowledgetoanalyzeandsolveproblems,layingasolidfoundationforfuturecourses.三、課程目標與畢業(yè)要求對應關系本課程的課程目標對應用物理學專業(yè)畢業(yè)要求指標點的支撐情況如表1所示：表1課程目標與畢業(yè)要求對應關系畢業(yè)要求指標點課程目標畢業(yè)要求1：掌握較堅實的物理學與光電技術等方面的基礎理論、基本實驗方法和應用技能2畢業(yè)要求2：具備利用物理學、數學、計算機信息技術和光電技術等基礎理論進行分析與解決實際問題的能力；3畢業(yè)要求3：具有初步的辯證唯物主義觀點，牢固樹立熱愛祖國、振興中華民族的使命感。1畢業(yè)要求4：具有廣博的知識貯備、更新知識的能力并能夠建立合理的知識結構，具有創(chuàng)新能力。2畢業(yè)要求5：具有一定的實驗設計和歸納、整理、分析實驗結果，撰寫實驗報告、實習報告和畢業(yè)論文的能力以及初步學術交流的能力；3課程教學安排課程共有5項教學內容，具體安排如下。表2：課程教學安排表序號教學內容思政元素課堂教學學時實驗/實踐教學學時學時小計1固體物理緒論職業(yè)教育和愛國教育222晶體結構——12123固體的結合——10104晶格振動科學家精神培養(yǎng)12125能帶理論求真務實，精益求精1212合計4848教學安排1、固體物理緒論教學要求：了解固體物理的發(fā)展歷程，掌握固體物理的研究對象；掌握晶體、非晶體、準晶體的定義及區(qū)別；熟悉石墨烯、碳納米管等新興的固體材料特性。教學內容：①固體物理的發(fā)展史；②固體物理的研究對象；③固體物理的未來發(fā)展方向。重點難點：①重點：固體物理的發(fā)展史。②難點：晶體、非晶體、準晶體的定義及區(qū)別；晶體的長程有序性、各向異性。思政元素：簡述目前我國芯片產業(yè)與世界先進水平之間存在的差距，引入海思麒麟芯片的巨大突破，鼓勵當代大學生努力學習鉆研，弘揚愛國精神，積極為我國高端制造領域做出貢獻。2、晶體結構教學要求：了解晶體結構的周期性和對稱性，掌握布拉伐格子和倒格子的描述方法，掌握三維晶格的十四種晶格和七大晶系的分類依據和具體結構。教學內容：①晶體的周期性；②倒格子；③晶體的對稱性；④晶體結構實例。重點難點：①重點：掌握晶體結構的特點，理解空間點陣概念，理解倒易點陣，掌握晶向及晶面指數。②難點：32個晶體學點群；14個布拉維格子；X射線衍射。3、固體的結合教學要求：了解固體的不同結合方式，掌握各種結合方式的結合機理和具體實例，掌握固體微觀結構和宏觀性質的內在聯系。教學內容：①離子性結合；②共價結合；③金屬性結合；④范德瓦爾斯結合；⑤元素和化合物晶體結合的規(guī)律性。重點難點：①重點：晶體的四種結合方式：離子結合，共價結合，金屬結合，范德瓦耳斯結合。②難點：離子晶體的幾何結構；分子晶體、金屬及氫鍵晶體。4、晶格振動教學要求：了解簡正近似與簡正坐標，掌握一維單原子鏈、一維雙原子鏈的振動，理解格波的量子理論，掌握愛因斯坦模型，德拜模型。教學內容：①簡諧近似和簡正坐標；②一維單原子鏈；③一維雙原子鏈；④三維晶格的振動；⑤離子晶體的長光學波；⑥確定晶格振動譜的實驗方法。重點難點：①重點：一維單原子鏈，一維雙原子鏈的振動，聲子的產生和定義，愛因斯坦模型及德拜模型的出發(fā)點和局限性。②難點：格波的量子理論，格波的模式數。思政元素：簡述黃昆教授在我國固體物理研究領域的貢獻，以及“黃昆方程”案例，了解中國先輩的奮斗精神和愛國精神，鼓勵學生向先輩學習，培養(yǎng)學生的科學家精神，激發(fā)學生愛國情懷。5、能帶理論教學要求：了解能帶理論的發(fā)展史，掌握布洛赫電子和布洛赫定理，熟練掌握能帶的計算方法以及圖示方法。教學內容：①布洛赫定理及能帶；②近自由電子近似；③緊束縛近似；④能帶結構的計算；⑤費米面和能態(tài)密度。重點難點：①重點：布洛赫定理；能帶及其圖示；能隙；能帶結構的近似計算方法；布里淵區(qū)；費米面的構造；能態(tài)密度。②難點：能隙和布拉格反射；能帶結構的近似計算方法；費米面的構造。思政元素：以能帶理論的“三大近似”、周期場中電子運動的“兩個模型”為切入點，帶學生了解科學家們如何一步步地通過科學近似手段，將復雜的多體問題最終轉變?yōu)樘厥獾膯误w問題，并且又通過“微擾理論”從不同的角度來更加精確地還原事實的真相，讓學生感受到科學探索的嚴謹性，培養(yǎng)學生求真務實，精益求精的科學精神。課內實踐教學內容及要求無課程考核與評價表4：成績評定方式表考核環(huán)節(jié)分值考核/評價細則分組討