Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 4 Физика (шифр дисциплины и ее название в строгомсоответствии с государственным образовательнымстандартом и учебным планом)
Скачать 0.81 Mb.
|
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА Введение. Предмет электродинамики. Краткий исторический обзор развития учения об электричестве и магнетизме. Электростатическое поле в вакууме. Электрический заряд. Дискретность заряда. Элементарный заряд. Закон сохранения заряда. Взаимодействие неподвижных зарядов. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Поле неподвижного точечного заряда. Поле непрерывно распределенного заряда. Поле диполя. Диполь в однородном и неоднородном электростатическом поле. Теорема Гаусса в электростатике. Работа поля при перемещении заряда. Потенциал электростатического поля и его связь с напряженностью поля. Потенциал поля точечного заряда, системы точечных зарядов. Потенциал непрерывно распределенного заряда. Электростатическое поле при наличии проводников. Заряженные проводники и проводники во внешнем электростатическом поле. Распределение зарядов в проводнике. Эквипотенциальность проводника. Напряженность поля у поверхности проводника. Метод зеркальных изображений. Электростатическая защита. Электроемкость уединенного проводника. Конденсаторы. Соединение конденсаторов. Электростатическое поле при наличии диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Полярные и неполярные молекулы. Вектор поляризации. Вектор электрической индукции. Диэлектрическая проницаемость и восприимчивость. Электрическое поле на границе двух диэлектриков. Теорема Гаусса для поля в диэлектрике. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрики. Электреты. Энергия взаимодействия зарядов и энергия электростатического поля. Энергия взаимодействия точечных зарядов и непрерывно распределенных зарядов. Энергия заряженного проводника и заряженного конденсатора. Энергия и плотность энергии электростатического поля. Постоянный электрический ток. Электрический ток. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника. Дифференциальная форма закона Ома. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Источники тока. Закон Ома для участка, содержащего ЭДС, и для замкнутой цепи. Закон Джоуля-Ленца. Дифференциальная форма закона Джоуля-Ленца. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Электропроводность твердых тел. Природа тока в металлах. Опыты Мандельштама и Папалекси, Толмена и Стюарта. Классическая теория электропроводности металлов. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Понятие о сверхпроводимости. Проводимость полупроводников. Электрический ток в электролитах. Электрическая диссоциация. Законы Фарадея. Определение заряда иона. Гальванические элементы. Электрический ток в газах и в вакууме. Природа тока в газах. Процессы ионизации и рекомбинации. Самостоятельный и несамостоятельный разряды в газе. Виды самостоятельного разряда (тлеющий, дуговой, искровой и коронный). Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы (диод, триод). Постоянное магнитное поле в вакууме. Взаимодействие постоянного магнита и тока. Сила Ампера. Взаимодействие токов. Сила Лоренца. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Виток с током в однородном и неоднородном магнитных полях. Закон Био-Савара-Лапласа. Закон полного тока. Магнитное поле прямого и кругового токов. Магнитное поле длинного соленоида. Магнитный момент витка с током. Движение заряда в постоянных электрическом и магнитном полях. Определение удельного заряда электрона. Эффект Холла. Магнитное поле в магнетиках. Парамагнетики и диамагнетики. Намагничивание магнетиков. Вектор намагниченности. Напряженность магнитного поля. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Закон полного тока в магнетиках. Ферромагнетизм. Магнитный гистерезис. Магнитомеханические явления. Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца. Самоиндукция. Взаимная индукция. ЭДС самоиндукции. Индуктивность проводника и взаимная индуктивность. Трансформатор. Работа силы Ампера. Электродвигатель. Электроизмерительные приборы. Энергия взаимодействия токов. Энергия и плотность энергии магнитного поля. Электромагнитное поле. Магнитоэлектрическая индукция. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Опыты Роуланда и Эйхенвальда. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Относительность электрического и магнитного полей. Квазистационарные электрические цени. Условия квазистационарности. Переменный ток. Действующие значения напряжения и силы тока. Сопротивление в цепи переменного тока. Скин-эффект. Индуктивность и емкость в цепи переменного тока. Закон Ома для цепи переменного тока. Метод комплексных амплитуд. Работа и мощность переменного тока. Колебательный контур. Собственные колебания. Формула Томсона. Свободные колебания. Добротность колебательного контура. Вынужденные колебания. Резонанс токов и напряжений. Электрические автоколебания. Электромагнитные волны. Электромагнитное поле в отсутствии свободных зарядов. Волновое уравнение. Плоские электромагнитные волны. Плотность энергии электромагнитного поля в вакууме. Поток энергии. Вектор Пойнтинга. Понятие об импульсе электромагнитного поля. Опыты Лебедева. Излучение электромагнитных волн. Опыты Герца. Принципы радиосвязи и радиолокации. Шкала электромагнитных волн. МОЛЕКУЛЯРНАЯ И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА Введение. Предмет молекулярной физики. Краткий исторический обзор развития молекулярной физики. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) вещества. Экспериментальное обоснование молекулярно-кинетических представлений. Макроскопическая система. Число Авогадро. Моль. Статистическое описание макроскопических систем. Микросостояния и макросостояния. Средние величины и флуктуации. Равновесные и неравновесные состояния; время релаксации. Параметры макроскопической системы, задающие ее равновесное состояние: объем, давление, температура. Измерение температуры. Термометр. Уравнение состояния. Внутренняя энергия макросистемы. Количество теплоты и работа. Теплоемкость. Энтропия - количественная мера беспорядка в макросистеме. Взаимодействие макросистемы с термостатом. Множитель Больцмана. Идеальный газ. Модель идеального газа. Газовые законы. Основное уравнение МКТ для идеального газа. Уравнение Клапейрона-Менделеева; универсальная газовая постоянная. Газовый термометр. Распределение Максвелла. Экспериментальная проверка распределения Максвелла. Равномерное распределение энергии хаотического движения молекул газа по степеням свободы. Теплоемкость газа. Изопроцессы. Распределение Больцмана. Барометрическая формула. Экспериментальная проверка распределения Больцмана. Определение постоянной Авогадро. Функции распределения по энергиям для идеального газа из квантовых частиц. Квантовые статистики. Фотонный газ. Статистическая теория равновесного излучения. Определение числа степеней свободы для поля излучения в полости. Вывод законов Рэлея - Джинса и Планка. Уравнение состояния для равновесного излучения. Основы термодинамики. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия как функция состояния. Квазистатические процессы. Количество теплоты и работа как функции процесса. Необратимые и обратимые процессы. Энтропия как функция состояния и ее связь с теплотой для обратимых процессов. Второе начало термодинамики. Тепловая и холодильная машины. КПД тепловой машины. Цикл Карно. Термодинамическая шкала температур. Третье начало термодинамики. Недостижимость абсолютного нуля. Реальные газы и жидкости. Отступления реальных газов от законов идеального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа. Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа и его теплоемкость. Эффект Джоуля - Томсона. Сжижение газов и получение низких температур. Фазовые переходы. Равновесие жидкости и пара. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Испарение и конденсация. Перегретая жидкость и переохлажденный пар. Кипение. Свойства жидкого состояния. Поверхностный слой. Поверхностное натяжение. Смачивание. Формула Лапласа. Капиллярные явления. Осмотическое давление. Растворы. Явления переноса. Диффузия и теплопроводность. Вязкость (внутреннее трение). Столкновения молекул. Характеристики соударений; сечение рассеяния, средняя длина свободного пробега молекул. Связь между кинетическими коэффициентами. Кинетические явления в разреженных газах. Технический вакуум. Элементы газодинамики. Предмет газодинамики. Связь газодинамики с термодинамикой. Основное уравнение газодинамики. Обтекание тела газом; пограничный слой. Движение со сверхзвуковой скоростью; число Маха. Ударные волны. Понятие о плазме. Плазма. Методы получения и основные характеристики плазмы. Экспериментальные методы определения параметров плазмы. Поведение плазмы в электрическом и магнитном полях. Применение плазмы. Твердые тела. Аморфные и кристаллические тела. Квазикристаллы. Кристаллические решетки. Анизотропия свойств кристаллов. Дефекты и дислокации. Механические свойства кристаллов. Тепловое расширение кристаллов. Теплоемкость кристаллической решетки. Закон Дюлонга и Пти. Теории теплоемкости Эйнштейна и Дебая. Теплопроводность диэлектрических кристаллов. Плавление и кристаллизация. Диаграмма равновесия твердой, жидкой и газовой фаз. Тройная точка. Жидкие кристаллы Полимеры. Электроны в твердых телах. Зонная теория твердых тел. Уровень Ферми. Теория электропроводности в металлах и полупроводниках. Полупроводниковые приборы (диод, транзистор, поду, проводниковый светодиод, лазер). Теплопроводность и теплоемкость металлов. Сверхпроводимость. Сверхтекучесть. Самоорганизующиеся системы. Устойчивые состояния неравновесных систем. Самоорганизация в больших системах. Ячейки Бенара. Реакция Белоусова - Жаботинского. Детерминированный хаос. Эволюция неравновесных систем. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ Физические основы полупроводниковой микроэлектроники. Основные положения и направления развития микроэлектроники. Этапы развития электроники. Основные положения и принципы микроэлектроники. История развития микроэлектроники. Факторы, определяющие развитие микроэлектроники. Классификация изделий микроэлектроники. Современные направления развития микроэлектроники. Физические явления и процессы в полупроводниковых структурах. Общие сведения о полупроводниках. Собственная и примесная проводимость. Основные и не основные носители заряда. Статистика подвижных носителей заряда. Кинетические процессы в полупроводниковых структурах. Поверхностные процессы в полупроводниковых структурах. Физика процессов в р — n-переходе при отсутствии внешнего поля. Концентрация подвижных носителей заряда. Диффузия. Переход носителей заряда через р- n-переход. Запирающий слой. Потенциальный барьер. Физика процессов в р- n-переходе при наличии внешнего поля. Дрейф носителей. Изменение высоты потенциального барьера. Процесс переноса носителей через р- n-переход. Зависимость между полным током через р- n-переход и приложенным напряжением. Полупроводниковый диод, его вольт-амперная характеристика. Биполярные и униполярные транзисторы. Понятие об интегральных схемах. ЧИПы. Элементы полупроводниковой микроэлектроники. Сигнал, его информационная суть. Сигналы аналоговые и цифровые. Сигналы в системах автоматики и вычислительной техники. Цифровые сигналы: перепады и импульсы. Схемы преобразования сигналов: RC-цепи, диодные ключи, транзисторные ключи на биполярных транзисторах. Критерий насыщения. Транзисторные ключи на униполярных транзисторах. Реализация базовых логических функций. Диодно-транзисторная логика. Транзисторно-транзисторная логика и её реализация на ТТЛ, ТТЛШ и КМОП-структурах. Быстродействие логических элементов. Серии интегральных схем. Триггер как элемент памяти. RS-триггер, синхронизируемый RS-триггер, D-триггер, JK-триггер. Комбинированные RS- и D-триггеры, RS- и Ж-триггеры. Графическое изображение. Таблица истинности. Принципы построения микроэлектронных приборов и устройств. Цифровая и аналоговая микроэлектроника: узлы, блоки, устройства. Узлы цифровой электроники: дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры. Принцип работы, графические изображения. Одноразрядный двоичный полусумматор Полный одноразрядный двоичный сумматор. Принцип построения многоразрядных сумматоров. Арифметико-логические устройства. Графическое изображение. Таблица истинности. Построение микроэлектронных приборов, устройств и систем. Классификация ИМС. Полупроводниковые ИМС. Пленочные и гибридные ИМС. Большие интегральные микросхемы (СБИС). Особенности технологии и методы создания БИС и СБИС. Основы реализации оперативных и долговременных запоминающих устройств. Устройства памяти компьютера. Классификация запоминающих устройств (ЗУ) по назначению, способам записи, хранения и поиска информации. Оперативные ЗУ статического (SRAM) и динамического (DRAM) типов. Принципы построения памяти большой разрядности и адресного пространства из интегральных схем ИС RAM. Структурная схема запоминающего устройства (ЗУ). Устройства памяти компьютера. Полупостоянные ЗУ и постоянные ЗУ (ПЗУ). Принципы записи и хранения информации. Структурная схема ЗУ. Долговременная память компьютера. Физические принципы хранения информации на магнитном носителе. Организация памяти на жёстком (HDD) и гибком (FDD) магнитном диске. Физические принципы записи и хранения информации на лазерном диске (CD ROM). Микропроцессоры как микроэлектронная основа современных ЭВМ, принципы их работы и функционирования. Микропроцессоры (МП) — основа персональных компьютеров. История развития: 4-хразрядные, 8-миразрядные, 16-тиразрядные 32-хразрядные микропроцессоры. Однокристальные МП. Тактовая частота и принципы потактовой реализации команд, микрокоманды. Реализация функции МП: выборка команд из оперативного ЗУ, декодирование команд, выполнение операций, управление пересылкой информации между своими внутренними регистрами, оперативной памятью и периферийными устройствами, обработка прерываний, управление различными устройствами компьютера. Работа микропроцессора с внешними устройствами. Принципы микроэлектронной системо- и схемотехники. Основные тенденции развития универсальных микропроцессоров: повышение тактовой частоты, увеличение пропускной способности подсистемы памяти, повышение степени внутреннего параллелизма. 1.6.3. Темы для самостоятельного изучения
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
