Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Fizyka 2
Tok studiów:
2014/2015
Kod:
IEL-1-201-s
Wydział:
Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Elektronika
Semestr:
2
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Osoba odpowiedzialna:
dr inż. Szklarski Zbigniew (szkla@agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr Czapkiewicz Maciej (czapkiew@agh.edu.pl)
Kanak Jarosław (kanak@agh.edu.pl)
Schneider Krystyna (kryschna@agh.edu.pl)
Stobiecki Tomasz (stobieck@agh.edu.pl)
dr inż. Szklarski Zbigniew (szkla@agh.edu.pl)
mgr Łysoń-Sypień Barbara (b.lyson@wp.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W001 Zna i rozumie znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej, jej miejsce i rolę w dzisiejszej nauce i technice zwłaszcza znaczenie fizyki ciała stałego dla zastosowań w elektronice i telekomunikacji; dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem. EL1A_W02 Egzamin,
Kolokwium
M_W002 Dysponuje aktualną wiedzą w dziedzinie fizyki współczesnej, zna aktualny stan badań, śledzi rozwój fizyki. EL1A_W02 Egzamin,
Kolokwium
M_W003 Ma wiedzę w zakresie optyki falowej, oddziaływania promieniowania z materią, fizyki współczesnej i ciała stałego oraz podstaw mechaniki kwantowej niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych w przyrodzie i technice, a w szczególności w elektronice i telekomunikacji. EL1A_W02 Egzamin,
Kolokwium
Umiejętności
M_U001 Zdobywa umiejętność planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych. EL1A_W02 Odpowiedź ustna
M_U002 Posiada praktyczną umiejętność analizy wyników pomiaru, sporządzania raportów i analizy niepewności wyników. Egzamin,
Sprawozdanie
M_U003 Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień optyki falowej, fizyki współczesnej, fizyki ciała stałego i podstaw mechaniki kwantowej. EL1A_W02 Egzamin,
Kolokwium
M_U004 Rozumie działanie współczesnych urządzeń elektronicznych i w oparciu o poznane zasady umie projektować nowe urządzenia EL1A_U01 Odpowiedź ustna
Kompetencje społeczne
M_K001 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności praktycznych w opisie zjawisk fizycznych. EL1A_K01 Odpowiedź ustna
M_K002 Ma świadomość ważności i rozumie pozatechniczne aspekty i skutki działalności inżyniera, w tym jej wpływ na środowisko, i związaną z tym odpowiedzialność za podejmowane decyzje. Udział w dyskusji
M_K003 Student pracując w grupie dostrzega konieczność współpracy przy wykonywaniu zadań laboratoryjnych i ponoszenia wspólnie odpowiedzialności za opracowanie i przedstawienie rezultatów swojej pracy. EL1A_K04 Odpowiedź ustna
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W001 Zna i rozumie znaczenie fizyki jako nauki przyrodniczej, jej miejsce i rolę w dzisiejszej nauce i technice zwłaszcza znaczenie fizyki ciała stałego dla zastosowań w elektronice i telekomunikacji; dostrzega wzajemne relacje pomiędzy teorią a eksperymentem. + + - - - - - - - - -
M_W002 Dysponuje aktualną wiedzą w dziedzinie fizyki współczesnej, zna aktualny stan badań, śledzi rozwój fizyki. + + - - - - - - - - -
M_W003 Ma wiedzę w zakresie optyki falowej, oddziaływania promieniowania z materią, fizyki współczesnej i ciała stałego oraz podstaw mechaniki kwantowej niezbędną do zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych w przyrodzie i technice, a w szczególności w elektronice i telekomunikacji. + + - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Zdobywa umiejętność planowania i przeprowadzania pomiarów wielkości fizycznych. - - - - - - - - - - -
M_U002 Posiada praktyczną umiejętność analizy wyników pomiaru, sporządzania raportów i analizy niepewności wyników. - - - - - - - - - - -
M_U003 Umie zastosować odpowiednie prawa i zasady fizyczne do rozwiązywania zagadnień optyki falowej, fizyki współczesnej, fizyki ciała stałego i podstaw mechaniki kwantowej. - - - - - - - - - - -
M_U004 Rozumie działanie współczesnych urządzeń elektronicznych i w oparciu o poznane zasady umie projektować nowe urządzenia - - - - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Dostrzega konieczność wykształcenia umiejętności praktycznych w opisie zjawisk fizycznych. - - - - - - - - - - -
M_K002 Ma świadomość ważności i rozumie pozatechniczne aspekty i skutki działalności inżyniera, w tym jej wpływ na środowisko, i związaną z tym odpowiedzialność za podejmowane decyzje. - - - - - - - - - - -
M_K003 Student pracując w grupie dostrzega konieczność współpracy przy wykonywaniu zadań laboratoryjnych i ponoszenia wspólnie odpowiedzialności za opracowanie i przedstawienie rezultatów swojej pracy. - - - - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:

Celem przedmiotu jest wykształcenie umiejętności opisu otaczającej rzeczywistości fizycznej za pomocą podstawowych praw i zasad. Student uzyskuje umiejętność rozumienia zjawisk fizycznych i ich znaczenia w przyrodzie i technice, potrafi rozwiązywać zagadnienia techniczne w oparciu o prawa fizyki, samodzielnie planuje i przeprowadza pomiary podstawowych wielkości fizycznych wraz z analizą wyników i niepewności wyników doświadczeń.

Zajęcia w ramach modułu są prowadzone w formie wykładu (30 godzin), ćwiczeń audytoryjnych (30 godzin) i laboratoryjnych (30 godzin).
WYKŁADY:
1.Wprowadzenie do analizy niepewności pomiarów (3 godz.)
Źródła rozbieżności pomiędzy wartością uzyskiwaną w eksperymencie a wartością rzeczywistą. Niepewność względna i bezwzględna, standardowa i maksymalna. Charakterystyka błędów grubych, systematycznych i przypadkowych. Typy oceny niepewności według Międzynarodowej Normy Oceny Niepewności Pomiaru. Przykład opracowania serii pomiarów bezpośrednich dużej próby (wartość średnia, wariancja rozkładu, odchylenie standardowe, histogram). Rozkład normalny Gaussa. Metody określania niepewności wielkości złożonej – prawo przenoszenia błędu i metoda różniczki zupełnej. Metoda najmniejszych kwadratów- regresja liniowa. Linearyzacja danych pomiarowych.
2.Optyka falowa (4 godz.)
Charakterystyka fal elektromagnetycznych (widmo częstości, zakres widzialny – światło, sposób wytwarzania fal radiowych). Interferencja światła. Dyfrakcja fal elektromagnetycznych. Polaryzacja, prawo Malusa. Odbicie i załamanie światła. zasada Fermata. Dyspersja i rozszczepienie światła białego. Źródła światła; spójność, emisja spontaniczna i wymuszona, widmo emisyjne na przykładzie atom wodoru, laser.
3.Promieniowanie ciała doskonale czarnego –wstęp do fizyki współczesnej (2 godz.)
Promieniowanie ciała doskonale czarnego, funkcja Kirchhoffa, prawo przesunięć Wiena, prawo Boltzmanna, wzór Plancka, koncepcja Einsteina opisu promieniowania ciała doskonale czarnego.
4.Teoria względności (3 godz.)
Transformacja Lorentza, kontrakcja długości, dylatacja czasu. Prędkość w układach inercjalnych. Masa i energia relatywistyczna.
5.Korpuskularno-falowa natura promieniowania elektromagnetycznego (2 godz.)
Pojęcie kwantu promieniowania, pęd i energia fotonu, dualizm korpuskularno-falowy. Efekt fotoelektryczny, efekt Comptona.
6.Fale materii (5 godz.)
Hipoteza de Broglie’a, doświadczenie Davissona-Germera, zasada nieoznaczoności Heisenberga. Założenia mechaniki kwantowej. Równanie Schrödingera, probabilistyczna interpretacja funkcji falowej, rozwiązanie równania Schrödingera dla cząstki swobodnej oraz dla nieskończonej studni potencjału, kwantyzacja energii, relacja dyspersji. Bariery i tunelowanie. Zasada działania mikroskopu STM.
7.Fizyka atomu (3 godz.)
Atom wodoru w mechanice kwantowej. Widma atomowe. Liczby kwantowe, obsadzenie stanów, funkcje rozkładu: Boltzmanna, Fermiego-Diraca, Bosego-Einsteina. Gaz Fermiego w przestrzeni k. Teoria elektronów swobodnych. Funkcja gęstości stanów.
8.Elementy fizyki ciała stałego (8 godz.)
Opis struktury krystalicznej, komórka prosta, komórka elementarna, sieci Bravais’go. Energia potencjalna elektronu w krysztale, pasmowy model ciała stałego, struktura energetyczna metali, półprzewodników, izolatorów, przerwa energetyczna, strefy Brillouina, masa efektywna elektronu w krysztale. Kryształy jonowe, wiązanie kowalencyjne, wiązanie metaliczne, oddziaływanie van der Waalsa, wiązania wodorowe, poziomy wibracyjne i rotacyjne. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane, temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego, definicja ruchliwości nośników, mechanizm rozpraszania nośników. Złącze p-n. Wybrane zastosowania półprzewodników – urządzenia półprzewodnikowe: złącze prostujące, dioda świecąca – LED, fotodioda, laser złączowy, tranzystor polowy FET. Podstawy fizyczne mikro- i nanoelektroniki.

Ćwiczenia audytoryjne:

ĆWICZENIA AUDYTORYJNE:
Ćwiczenia audytoryjne mają na celu utrwalenie wiadomości zdobytych na wykładzie i wykształcenie umiejętności posługiwania się podstawowymi prawami i zasadami fizyki współczesnej. W ramach tych zajęć studenci rozwiązują zadania rachunkowe związane z tematyką wykładów, odpowiadają na pytania testowe i omawiają z prowadzącym zajęcia problemy poruszane na wykładzie. Studenci otrzymują zadania do samodzielnego wykonania, tzw. zadania domowe. Poziom wiedzy jest monitorowany poprzez prace pisemne i na tej podstawie odbywa się zaliczenie zajęć. Do zaliczenia zajęć niezbędna jest obecność na min. 80% zajęć. W uzasadnionych przypadkach (długotrwała choroba i zwolnienie lekarskie) możliwe jest indywidualne uzgodnienie z prowadzącym zajęcia. Zaliczenie zajęć odbywa się w formie pisemnej. Studenci mają możliwość skorzystania z konsultacji prowadzonych przez wykładowcę i prowadzących zajęcia, które pozwalają przedyskutować najważniejsze problemy związane ze zrozumieniem materiału wykładu.

TEMATYKA ĆWICZEŃ AUDYTORYJNYCH:

1.Analiza niepewności pomiarów (2 godz.)
Wykształcenie praktycznej umiejętności analizy niepewności pomiaru wielkości prostych i złożonych, dla błędów systematycznych i przypadkowych; rozwiązywanie przykładów rachunkowych związanych z zastosowaniem prawa przenoszenia błędów, metody różniczki zupełnej oraz pochodnej logarytmicznej. Obliczenie średniej i odchylenia standardowego; omówienie rozkładu Gaussa. Wprowadzenie do regresji liniowej.

2.Optyka falowa (3 godz)
Wyprowadzenie równania falowego z równań Maxwella. Wykształcenie praktycznej umiejętności posługiwania się równaniem falowych i jego rozwiązaniem. Konstrukcja obrazu interferencyjnego i dyfrakcyjnego. Rozwiązywanie prostych zadań związanych z naturą falową światła. Wykorzystanie zasady Fermata.

3.Promieniowanie ciała doskonale czarnego (2 godz.)
Omówienie stanu wiedzy w dziedzinie fizyki na przełomie XIX i XX wieku. Zwrócenie uwagi na przełomowe odkrycia i ich interpretację. Rozwiązywanie zadań korzystając z prawa Wiena i Boltzmanna. Znaczenie koncepcji Plancka oraz Einsteina dla wyjaśnienia promieniowania ciała doskonale czarnego.

4.Elementy teorii względności (2 godz.)
Omówienie przykładów stosowania transformacji Lorentza. Wyprowadzenie wzorów transformacyjnych dla prędkości. Konsekwencje transformacji Lorentza, niejednoczesność zdarzeń, skrócenie długości, dylatacja czasu. Rozwiązywanie prostych zadań z dynamiki relatywistycznej przy uwzględnieniu równoważności energii i masy.

5.Dualizm korpuskularno falowy (3 godz.)
Omówienie pojęcia kwantu promieniowania. Rozwiązywanie prostych zadań wykorzystujących pęd i energię fotonu. Wykształcenie umiejętności praktycznych wyjaśnienia i wykorzystania efektu fotoelektrycznego. Wyprowadzenie wzoru dla efektu Comptona; proste przykłady rachunkowe.

6.Falowa natura materii (2 godz.)
Omówienie hipotezy de Broglie’a. Omówienie analogii fal materii do fal elektromagnetycznej. Zrozumienie zasady nieoznaczoności Heisenberga na przykładach mikroskopu Heisenberga i interpretacji eksperymentu interferencyjnego z dwoma szczelinami. Wykorzystanie konsekwencji zasady nieoznaczoności dla czasu i energii.

7.Równanie Schrödingera (4 godz.)
Omówienie równania Schrödingera i probabilistycznej interpretacji funkcji falowej. Przeprowadzenie separacji zmiennych w równaniu Schrödingera. Przykładowe rozwiązania równania Schrödingera dla cząstki swobodnej oraz dla nieskończonej studni potencjału. Konsekwencje wprowadzenia warunków brzegowych: kwantyzacja energii, relacja dyspersji. Bariery i tunelowanie.

8.Modele atomu (2 godz.)
Przypomnienie wczesnych koncepcji atomu. Omówienie postulatów modelu Bohra dla atomu wodoru; kwantyzacja momentu pędu. Konsekwencje postulatów Bohra: skwantowane poziomy energetyczne. Interpretacja widm emisyjnych i absorpcyjnych atomów, zalety i wady modelu Bohra.
9.Atom wodoru w mechanice kwantowej (3 godz.)
Rozwiązanie równania Schrödingera dla elektronu w centralnym polu potencjału kulombowskiego, separacja równania Schrödingera we współrzędnych sferycznych, liczby kwantowe, wartości własne energii dla atomu wodoru, degeneracja, powłoki i podpowłoki, operator pędu i momentu pędu w mechanice kwantowej, orbitalny dipolowy moment magnetyczny, spin elektronu, magnetyczny rezonans jądrowy NMR

10.Statystyki kwantowe i klasyczne (3 godz.)
Problem wielu cząstek, elementy fizyki statystycznej, obliczanie wartości średnich, funkcja gęstości prawdopodobieństwa, klasyczne rozkłady: rozkład Maxwella prędkości cząsteczek w gazie, rozkład Boltzmanna, statystyki kwantowe: Fermiego-Diraca i Bosego-Einsteina, bozony i fermiony, zakaz Pauli’ego i jego konsekwencje, pojęcie energii Fermiego, wyprowadzenie zależności energii Fermiego od koncentracji elektronów w jednym i trzech wymiarach, kula Fermiego.

11.Przewodnictwo elektryczne ciał stałych –półprzewodniki i urządzenia półprzewodnikowe; elementy fizyki ciała stałego (4 godz.)
Omówienie podstawowych wiązań chemicznych; Przypomnienie charakterystyki izolatorów, metali i półprzewodników. Elementy struktury pasmowa ciał stałych, niedomieszkowane i domieszkowane półprzewodniki, temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego. Złącze p-n, większościowe i mniejszościowe nośniki ładunku, prąd dyfuzji i unoszenia (dryfu), wybrane zastosowania półprzewodników – urządzenia półprzewodnikowe: złącze prostujące, dioda świecąca – LED, fotodioda, laser złączowy, tranzystor polowy FET

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 150 godz
Punkty ECTS za moduł 6 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 65 godz
Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. 25 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 30 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Do egzaminu z przedmiotu dopuszczane są jedynie osoby posiadające ocenę pozytywną (co najmniej 3.0) z ćwiczeń audytoryjnych i laboratoryjnych. Egzamin ma formę pisemną i ustną. Z części ustnej mogą zostać zwolnione osoby spełniające określone kryteria związane z wynikiem egzaminu pisemnego.Ocena końcowa obliczana jest jako średnia ważona ocen: zaliczenia ćwiczeń audytoryjnych i laboratoryjnych oraz egzaminu.

Wymagania wstępne i dodatkowe:

Wymagana jest znajomość podstaw fizyki i matematyki w zakresie programu gimnazjum i liceum. Dodatkowo konieczne jest wykorzystanie wiedzy zdobytej podczas realizacji przedmiotu Fizyka I.
różniczkowym i całkowym w stopniu elementarnym.
Wymagana jest obecność na ćwiczeniach audytoryjnych (min. 80%).

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, t.1-5, PWN Warszawa, 2003
2. C. Kittel, Wstęp do Fizyki Ciała Stałego, PWN Warszawa 1975
3. E.M. Purcel, Elektryczność i Magnetyzm, PWN Warszawa 1973
4. R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa, PWN Warszawa 1983
5. Treść wykładu i dodatkowe materiały w tym przykłady zadań egzaminacyjnych umieszczane na stronie internetowej przedmiotu
6. Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych na stronie internetowej przedmiotu
7. A. Zięba, Pracownia Fizyczna, WFiTJ, Skrypt Uczelniany SU 1642, Kraków 2002

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

Nie podano dodatkowych publikacji

Informacje dodatkowe:

Brak