Програма по дисциплината: Съвременна физика включена в учебния план на специалност: всички специалности във фми



Дата19.01.2018
Размер117.97 Kb.

СОФИЙСКИ УНИВЕРСИТЕТ “СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ”




Утвърдена с Протокол на ФС N: …../ ……..

Декан:

УЧЕБНА ПРОГРАМА

ПО ДИСЦИПЛИНАТА: Съвременна физика

ВКЛЮЧЕНА В УЧЕБНИЯ ПЛАН НА СПЕЦИАЛНОСТ: всички специалности във ФМИ

КРЕДИТИ (ECTS): 4.5

СТЕПЕН НА ОБУЧЕНИЕ: Бакалавър

ИЗВАДКИ ОТ УЧЕБНИЯ ПЛАН

Вид на занятията:

Семестър:

Хорариум-часа/
седмично:


Хорариум-часа
Общо:

Лекции


четен семестър

3

45

Семинарни упражнения





четен семестър

5 седмици х 3 часа

15

Практически упражнения










Общо часа:




4

60

Форма на контрол:






Текуща оценка

А. АНОТАЦИЯ

Курсът е предназначен за студентите от всички специалности на Факултета по математика и информатика. Не се предполагат знания по физика извън рамките на гимназиалния курс. За разбирането на по-голяма част от преподавания материал ще са полезни знания по математически анализ, линейна алгебра и аналитична геометрия, висша алгебра, комплексен анализ, диференциални уравнения, теория на вероятностите и математическа статистика в обема на четените във ФМИ курсове в първи и втори курс.

Основната насоченост на курса е към излагане в по-малко или повече популярна форма на основните идеи, принципи, методи и достижения на съвременната физика. Ограниченият хорариум не позволява задълбочаване в която и да е посока. Целта е слушателите да добият представа как физиката изследва света около нас, какви са резултатите и техните приложения. Прави се опит да се откроят основните принципи, използваният теоретичен апарат и връзката му с основните математически дисциплини. Цели се по-скоро демонстриране на идеите, принципите, методите, апарата и достиженията на физиката, отколкото усвояване на конкретни знания на ниво самостоятелното им прилагане.

Курсът започва с дефиниране на предмета на физиката и преглед на неговия обхват – от фундаменталните съставящи на материята с размери, по-малки от 10-18 cm, до видимата Вселена като цяло. След това се въвеждат основните понятия на класическата физика. Представите на Галилей и Нютон се конфронтират с понятията на релативистката физика и общата теория на относителността, развити от Айнщайн. След необходимото изясняване на основни понятия като работа, енергия, температура, ентропия прегледът на класическата физика завършва с изложение на нейното върхово достижение – електромагнитната теория.

В следващата част на курса се прави амбициозен опит да се изложи в достъпна форма квантовата физика на микросвета – от строежа на атома и атомното ядро до физиката на кварките и неутрината. Основните научни интереси и достижения на авторите на програмата са в тази област и тяхното убеждение е, че това може да бъде направено по смислен начин в предлагания обем.

Следва една лекция, посветена на астрофизиката и космологията – теми, които предизвикват определен интерес във всички любознателни студенти.

Последните две лекции са посветени на теоретичния апарат на физиката и неговите математически основи. Основната цел и идея на изложението е да се покаже как физиката изпълва абстрактните математически понятия и конструкции с конкретно съдържание и как тези понятия и конструкции се използват за адекватно описание на физическата реалност. Амбицията е да се изложи на достъпен език съвременната теория на физиката на фундаменталните частици и взаимодействия (често наричана Стандартен модел) и да се покаже в каква огромна степен тази теория се базира на достиженията на математиката.

Поради ограничения хорариум на курса на семинарните занятия се отрежда доста самостоятелна роля. Тяхната задача е да демонстрират как математически последователно се решават някои съществени физически задачи. Превес е даден на квантово-механичните проблеми, просто защото съвременната физика е релативистка квантова физика. Предлага се 15-те часа упражнения да се разпределят в 5 занятия по 3 часа, които да се проведат в последната трета от семестъра, т.е. в седмици 11-15. Това ще позволи значителна част от лекционния материал до тогава да бъде преминат и да бъде използван активно. Освен това същността на проблемите изисква достатъчно време за кохерентното им излагане, поради което раздробяването на упражненията на повече занятията с по-малко времетраене не изглежда целесъобразно.

Курсът завършва със студентски семинар, в който всеки слушател представя пред аудитория предварително разработена от него тема от програмата на курса. Това от една страна премахва стреса от стандартния студентски изпит, който и без това не може да бъде напълнен със съдържание при такава обхватност на материала и предполаганото демонстрационно ниво на изложение. От друга страна подготвянето на презентация подбужда към самостоятелно мислене, търсене на информация, нейното осмисляне и свързано излагане, което е от полза за студентите в тяхното личностно развитие. Оценката се поставя на базата на впечатленията на лектора и водещия семинарните занятия от качеството на представянето и отговорите на зададените въпроси. Избрана е текуща оценка, за да не се застрашава лимита на изпитите за всяка сесия в бакалавърското обучение, като при нужда това може да се преразгледа.



Б. СЪДЪРЖАНИЕ НА УЧЕБНАТА ПРОГРАМА:




Лекции

Брой часове

1.

Предмет на физиката. Йерархия и структурата на материята в посока на най-малкото: вещество, молекули, атоми, ядра, нуклеони, кварки и на най-голямото: планети, звезди, галактики, Вселена. Типични скали на времената, разстоянията и енергиите. Фундаментални взаимодействия в природата (гравитационно, слабо, електромагнитно и силно), техните източници и преносители. Кохерентна физическа картина за света като цяло.

3

2.

Картина на света в класическата физика. Нютоново (плоско) пространство и време. Отправни системи и Галилеев принцип за относителност. Нютонова (класическа) механика. Принципи на механиката. Маса на телата. Закон за гравитацията. Небесна механика. Айнщайнов принцип за относителност. Постоянство на скоростта на светлината в различни отправни системи. Специална теория на относителността. Релативистка кинематика и динамика. Принцип за равенство на инертната и гравитационната маса. Обща теория на относителността като теория на гравитацията. Приложения: разширяваща се Вселена, черни дупки и др.

6

3.

Работа и енергия. Превръщане на различните видове енергия един в друг. Закон за запазване на енергията. Термодинамика. Принципи на термодинамиката. Температура и топлина. Молекулно-кинетична теория за газове и течности. Ентропия. Статистически закономерности за система от много на брой частици. Приложения.

3

4.

Електричество и магнетизъм. Електростатика, закон на Кулон. Електрически ток. Концепция за физическо поле. Електрично и магнитно полета. Сила на Лоренц. Закон на Био-Савар-Лаплас. Вълново движение. Електромагнитни вълни. Електромагнитен спектър. Светлината като електромагнитна вълна. Геометрична и вълнова оптика. Уравнения на Максуел. Електромагнитните явления от гледна точка на атомния строеж на веществото.

3

5.

Квантови обекти и квантови явления. Постулати на Бор за движението на електрона във водородния атом. Съотношение за неопределеност. Квантова механика. Вълнова функция и нейната физическа интерпретация. Измеряеми физически величини и техните оператори. Собствени и средни стойности. Хамилтониан на физическа система. Уравнение на Шрьодингер. Спин на квантовите обекти, уравнения и матрици на Паули. Релативистка квантова механика. Уравнение и матрици на Дирак.

6

6.

Квантуване на електромагнитното поле. Фотони. Поглъщане и излъчване на светлина от атомите. Спонтанно и принудено излъчване. Лазери. „Сплетени” състояния в квантовата механика. Експерименти със сплетени фотони. Квантова криптография.

3

7.

Строеж и характеристики на атомното ядро. Нуклеони и ядрени сили. Енергия на свързване. Радиоактивни превръщания. Закон за радиоактивното разпадане. Алфа-, бета- и гама-разпадания. Спонтанно и индуцирано делене на ядрата. Верижна реакция. Ядрени реактори и ядрени бомби. Термоядрен синтез. Енергия на горенето на звездите. Термоядрени бомби и управляем термоядрен синтез.

3

8.

Елементарни частици. Основни характеристики. Лептони и адрони, мезони и бариони, хиперони, бозони и фермиони. Пространствени и вътрешни квантови числа. Взаимодействия и превръщания на елементарните частици. Експериментална техника за тяхното наблюдение. Ускорители и детекторни системи. Голям адронен колайдър (LHC) и експерименти там. Кварк-глуонна плазма. Физика на неутрината. Свойства, експерименти с неутрина.

3

9.

Симетрии, инвариантност и закони за запазване в класическата и квантовата физика. Теорема на Ньотер. Пространствени симетрии: непрекъснати и дискретни, Групи на Лоренц и Пуанкаре. Пространствено отражение, обръщане знака на времето, зарядово спрягане. Частици и античастици, материя и антиматерия. Глобални и локални симетрии. Вътрешни симетрии и квантови числа. Закони за запазване на електрическия, барионния и лептонния заряди. Нарушени симетрии, степен на нарушаване. Разпадания на неутралните каони и стрела на времето в микросвета. Осцилации на неутрината.


6

10.

Астрофизика и космология. Хипотеза за Големия взрив и разширяващата се Вселена. Следствия. Експериментални наблюдения. Реликтово микровълново излъчване. Структура на разпределението на веществото във видимата Вселена. Лептонен и барионен синтез веднага след Големия взрив. Синтез на леки ядра. Образуване на химическите елементи и тяхното разпределение във Вселената. Формиране на звездите и тяхната смърт. Бели джуджета, неутронни звезди и черни дупки.

3

11.

Теоретичен апарат на физиката и неговите математически основи. Хамилтонов и Лагранжев формализъм. Принцип на минималното действие. Описване на движението на физическите обекти чрез система от частни диференциални уравнения от втори ред. Принцип за причинност и детерминираност на явленията в класическата физика. Електромагнитна теория, уравнения на Максуел и техните решения. Калибровъчна инвариантност на електромагнитното поле.

3

12.

Квантова теория на полето. Принципи за причинност, релативистка инвариантност и локалност. Формализъм на матрицата на взаимодействието и нейното пертурбационно развитие. Диаграми на Файнман. Принцип за локална калибровъчна инвариантност на фундаменталните взаимодействия. Описание на силното, електромагнитното и слабото взаимодействия от единна гледна точка. Генериране на маси на фундаменталните частици. Бозон на Хигс и експерименти за неговото наблюдаване. Теории за Велико обединение на фундаменталните взаимодействия.

3




Семинарни занятия




1.

Електродинамика. Закон на Кулон и теорема на Гаус-Остроградски. Консервативни сили. Потенциално поле. Кинетична и потенциална енергия. Пълна енергия на една физическа система. Представяне на електромагнитното поле чрез скаларен и векторен потенциали. Решения на уравненията на Максуел. Електромагнитни вълни.

3

2.

Обединение на тримерното Евклидово пространство и времето в четиримерно пространство на Минковски. Групи на Лоренц и Пуанкаре и техните представяния. Физичните величини като скалари, вектори и тензори. Четири-вектор на енергията-импулса. Трансформации на Лоренц. Използване на релативистката кинематика за описанието на движението на високо-енергетични елементарни частици.

3

3.

Уравнение на Шрьодингер. Решаване на уравнението за някои прости потенциали: едномерна потенциална яма с крайна и безкрайна дълбочина; преминаване през потенциална бариера с крайна височина. Съотношение за неопределеност. Решаване на уравнението на Шрьодингер за водородния атом. Квантови числа, характеризиращи състоянието на движението на електрона в атома. Израждане на състоянията. Спин на електрона. Принцип на Паули. Спин-орбитално взаимодействие. Снемане на израждането. Спектри на алкалните метали. Периодична система на химическите елементи.

6

4.

Въвеждане на фундаменталните взаимодействия посредством принципа за локална калибровъчна инвариантност на лагранжиана на взаимодействието. Уравнения за движение на квантуваните полета. Подходи за решаването им. Електро-слабо взаимодействие и модел на Глешоу-Уайнбърг-Салам. Откриване на W и Z бозона. Спонтанно нарушаване на симетрията и механизъм на Хигс. Генериране на маси на частиците и Хигс-бозон. Търесне на Хигс-бозона.

3


В. Форма на контрол: текуща оценка

Формата на контрол е съобразена с общообразователния характер на курса и с целта му – да събуди интерес към физическите науки и тяхното по-задълбочено усвояване. Поради това се предвижда подготвяне от всеки слушател на презентация по избрана и съгласувана с преподавателя тема в рамките на обхвата на курса. Подготвеният материал се представя на студентски семинар след приключването на курса. Семинарът е отворен за посещение от всички желаещи. Преподавателят, водещият семинарните занятия и всички присъстващи задават въпроси по тематиката на изложението. Преподавателят оценява представянето и отговорите на въпросите и оформя крайната оценка.



Г. Литература:

Представеният по-долу списък с литература е съвсем примерен. Нито едно от заглавията не покрива целия материал на курса. От друга страна в тези книги любопитният слушател ще намери развитие и задълбочаване на основните идеи, излагани в лекциите. При проявен интерес от студентите лекторът е готов да ги консултира в подбора на литература за четене и да предостави значителен обем допълнителна такава.




  1. Benjamin Crowell, Simple Nature, www.lightandmatter.com, 2001-2008.

  2. Don Lichtenberg, The Universe and the Atom, World Scientific, 2007.

  3. У. Уилямс, Физика на ядрото и елементарните частици, Университетско издателство “Св. Кл. Охридски”, 2000.

  4. Леон Ледерман и Дик Теръси, Частицата Бог, Просвета, 1997.

  5. E. M. Henley, A. Garcia, Subatomic Physics , 3rd edition, Marston Book Services Ltd., 2007 (по старо издание на руски език: Г. Фрауенфельдер, З. Хенли, Субатомная физика, изд. “Мир”, Москва, 1979).

  6. М. Максимов, Основи на физиката, Част 1 и Част 2, Булвест-2000, 2008.

  7. Р. Файнман, Р. Лейтън, М. Сендс, Файнманови лекции по физика, Народна просвета, т. I – 1970, т. II – 1972, т. III – 1976.

  8. А. Донков, М. Матеев, „Квантова механика“, Издателство на СУ, София, 2010

  9. П. Райчев, „Физика на атомните системи“ издателство Лодос, 2006

  10. И. Златев, А. Николов, Теоретична Механика, Наука и изкуство, София, 1978 г.

София, декември 2011 г.

Съставили програмата:

проф. дфн Румен Ценов



tsenov@phys.uni-sofia.bg

http://atomic.phys.uni-sofia.bg/Members/tsenov
гл.ас. д-р Борислав Павлов

pavlov@phys.uni-sofia.bg

http://atomic.phys.uni-sofia.bg/Members/pavlov


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница