《固体物理B》课程大纲

《固体物理B》课程大纲

课程代码080121L课程名称中文名:固体物理B英文名:SolidPhysics

B课程类别专业课修读类别限选学

分3.0学

时48开课学期第5学期开课单位材料科学与工程学院功能材料系适用专业无机非金属材料工程专业先修课程材料科学基础，高等数学，大学物理，材料性能学后续有关专业课程和教学环节陶瓷材料学，计算材料学，毕业设计（论文）主讲教师／职称王瑞敏/副教授、于刚/副教授、秦国强/副教授考核方式及各环节所占比例作业+课堂成绩+期末考试（10%）+（10+%）（80%）教材及主要参考书（1）《固体物理教程》，王矜奉主编，山东大学出版社，2013（2）《固体物理》，黄昆原著韩汝琦改编，高等教育出版社，2000（3）《固体物理导论》，（美）C.基泰尔主编，化学工业出版社，2005（4）《固体物理学》，陆栋主编，上海科学技术出版社，2010一、课程性质和目标《固体物理B》是无机非金属材料专业的专业课、限选课。课程主要内容包括固体物理中的基本概念、晶体结构和晶体结合、晶体中电子和晶格的运动规律以及能带的计算方法、自由电子论和电子的输运性质。为进一步学习和研究无机非金属材料打下理论基础。知识目标：解释晶体结构、结合类型、晶体对称性和晶体衍射的特点和规律表达。解释晶体振动和晶体热容的量子理论，理解晶体主要缺陷理论和计算规律。解释能带理论，解释和分析晶体中的电子在电场和磁场中的行为。解释自由电子论的电子热容理论，认识电子的输运性质。能力目标：能用固体物理原理进行模型建立和计算，解释材料的机理问题，预测材料的物理性能。二

本课程所支撑的毕业要求本课程所能支撑的毕业要求和课程目标的对应关系序号毕业要求指标点毕业要求指标点具体内容课程目标1毕业要求1-2能够应用物理、化学等自然科学基础知识解释复杂工程问题涉及的物理及化学问题。课程目标1、2、3、4、52毕业要求1-4能综合分析材料组成、结构、性能及应用之间关系，通过检测和问题分析，就复杂无机非金属材料工程问题的解决方案进行比较与综合。课程目标1、2、3、4、53毕业要求5-3能根据混凝土/陶瓷产品研发与检测需要，选择分析方法与现代工具对复杂无机非金属材料工程问题进行模拟预测和结果分析，并能分析模拟和预测的局限性。课程目标5

（2）本课程内容与课程目标、毕业要求指标点的对应关系教学内容课程目标毕业要求指标点理论教学第一章绪论课程目标5毕业要求1.4第二章晶体的结构课程目标1、课程目标5毕业要求1.2、1.4第三章晶体的结合课程目标1、课程目标5毕业要求1.2、1.4第四章晶体振动与晶体热学性质课程目标2、课程目标5毕业要求1.2、1.4第五章晶体的缺陷课程目标2、课程目标5毕业要求1.2、1.4第六章晶体中电子能带理论课程目标3毕业要求1.2第七章自由电子论和电子的输运性质课程目标4毕业要求1.2三

教学内容及安排（一）

理论教学基本内容（48学时）（一）

绪论

（2学时）1基本要求理解固体物理研究的问题，课程大纲内容。2教学内容固体物理的研究对象；学习固体物理的意义和在无机非金属专业的地位和意义；课程大纲解读课程性质、目标、教学内容与培养目标和毕业要求的关系、教学与学习方法、教学进程、考核形式与基本要求，预期达成学习效果。3重点重点：固体物理的在本专业的意义和学习方法。（二）

晶体的结构（6学时）1基本要求解释倒格子的概念和基本性质。解释晶体点群和对称性。解释倒格子和晶体衍射的关系。2教学内容晶体结构的周期性、晶面指数与晶向指数。配位数与密堆积。晶胞和晶体的宏观对称性以及32个晶体学点群。倒格子与布里渊区。晶体的衍射3重点和难点重点：晶体结构的种类，倒格子。难点：倒格子和晶体衍射。（三）

晶体的结合（4学时）1基本要求晶体的四种键合方式。离子晶体和范德瓦尔斯晶体的结合能的计算。2教学内容晶体的结合类型：离子性结合、共价结合、金属结合和范德瓦尔斯结合，结合力和结合能。3重点和难点重点：离子性结合和范德瓦尔斯结合。难点：结合能的计算。（四）

晶格振动与晶体热学性质（8学时）1基本要求1）晶格振动的基本概念和理论。2）两类格波：长声学波和离子晶体的长光学波，晶格振动模式密度，声子的热容。3）熟练一维原子链中格波的产生和格波的色散关系，以及离子晶体的长光学波的描述。4）从晶体的振动角度，认识晶格热容的量子理论和声子基本知识以及德拜模型。2教学内容简谐近似与简正坐标得到一维单原子链和一维双原子链晶格振动方程的方法，得到晶格振动的声学波与光学波。离子晶体的长光学波近似。晶格振动理论理解晶体热容、热传导、热膨胀的物理本质。重点：晶格热容的量子理论，德拜模型。（五）

晶体的缺陷（4学时）1基本要求难点：格波量子化和能态密度。3重点和难点热缺陷的计算；晶体缺陷的类型。理解位错的相互作用。教学内容晶体缺陷的类型。位错缺陷的性质。热缺陷的统计理论。热缺陷的扩散。重点：热缺陷的统计理论和热缺陷的扩散。（六）

晶体中电子能带理论（16学时）1基本要求难点：热缺陷的统计理论的理解和计算。3重点和难点能带，布里渊区，能态密度，费米面，波包和空穴。从布洛赫定理和一维晶体中电子运动的近自由电子近似，认识晶体中电子运动的特点以及能带的形成，同时介绍一些晶体能带的计算方法。从能带理论出发，研究晶体中电子在电场和磁场中的运动，理解固体物质的导电行为。电子在晶体中的速度与电流密度和电子由外加力场所产生的加速度及有效质量。2教学内容布洛赫定理，一维周期场中电子运动的近自由电子近似，三维周期场中电子运动的近自由电子近似。介绍赝势，紧束缚近似。晶体能带的对称性，能态密度与费米面。光电子谱研究能带结构，金属元素的能带结构。电子运动的半经典模型，恒定电场作用下电子的运动，恒定磁场下电子的运动和DeHass—VanAlphen效应，回旋共振。重点：布洛赫定理，一维晶体近自由电子近似、紧束缚近似和能带理论。（七）

自由电子论和电子的输运性质（8学时）难点：布洛赫定理，能带理论。3重点和难点基本要求2)电子热容量的计算，4)理解波尔兹曼方程，认识电子输运问题1)费米统计电子热容量，功函数与接触电势，分布函数波尔兹曼方程，电导率.热导率与热电势，霍尔效应与磁阻。重点：费米统计，金属电子热容的解释。四、达成课程目标的途径和措施本课程涉及到的教学方法有“讲授法”和“直观演示法”等，具体根据教学内容和目标不同采取更合适的教学方法。理论教学过程中，采用的教学方法有“讲授与视频结合法”、“讨论法”等，具体根据教学内容和目标不同采取更合适的教学方法。每次课堂讲授结束以后，均布置3~5道的课后习题，这也是每次授课的知识重点。对于作业中发现的共性问题，教师在下次上课时集中讲解。对于个别程度达不到要求的同学，授课教师指定名单要求这些同学参加教师课后辅导和答疑。另外，教师应认识学生对知识和理解方面的问题，并征集学生对教学方面的意见，促进毕业要求指标点的达成。2.教学手段3.课外阅读要求4.多环节训练（2）课堂讨论五、课程综合记分方法课程考核由平时成绩（包括作业和课堂表现）和期末考试两部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。各考核环节及所占比重见下表：（3）期末考试（1）作业推荐学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外阅读。通过课外阅读，既能加深对教学内容的理解，又能拓展专业视野，紧跟行业发展前沿。本课程利用采用现代化的教学手段，采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，“板书”可用于辅助表达，二者充分发挥优势，扬长避短。理论部分授课以“讲授法”为主，并与课堂学生讨论等互动方式配合使用。在授课中会穿插习题课的内容，讲解一些有代表性的习题，帮助学生所学知识。此外在每一章讲授结束后，均布置3-5道课后习题，作业面覆盖所讲内容的难点和重点，以便于学生巩固所讲内容及考试复习。对于作业中发现的问题会及时向学生讲解，并帮助改进同学的学习方法。（2）学生作业（1）课堂讲授1.教学方法难点：金属中的电子热容的解释。3重点和难点2教学内容3)理解功函数与接触电势等概念，1)理解费米统计，考核环节比重（%）作业10课堂讨论10期末考试80总计100（注：无故旷课1/3者，不允许参加期末考试。）各个环节的评分标准如下：作业每次作业必须在正式上课前交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计。每次作业按百分制评分，总评后折算成10分。作业的评分标准观测点85～100分75～84分60～74分<60分完成进度（权重0.1）严格按照作业要求并及时完成基本按照作业要求并及时完成

不能按照作业要求，未及时完成不能按照作业要求未及时完成概念清楚（权重0.2）概念清晰概念基本清晰概念不清晰概念错误计算能力（权重0.5）完全正确基本正确部分错误完全错误分析或结论有效性（权重0.2）分析正确，结论有效分析基本合理，结论基本有效分析不合理

未给出分析

每次课堂讨论成绩按百分制评分，总评后折算成10分。课堂讨论的评分标准观测点85～100分75～84分60～74分<60分参与程度（权重0.4）积极主动讨论能够参与讨论比较被动不参与讨论的质量（权重0.6）回答问题有自己的观点，思路清晰能够对问题有自己的理解但是有知识运用的偏差叫到会说些自己的一些想法，但是概念原理会比较模糊对问题基本没有自己的想法

3.期末考试期末考试成绩是通过闭卷考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程所讲的晶体结构、晶体结合、晶体的热学性质、能带理论和金属电子论等知识点。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成80分。试卷蓝图设计课程目标把握能力层次（对应试题）目标分值百分比（%）认识理解应用1168832402412/////1620388824304//////////8810各项分值282824

百分比（%）353530

100六、评估方法每学期课程结束后进行课程评估。本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。课程目标1

的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、晶体结构的基本类型，晶体对称性和晶体的衍射晶体结构的基本类型作业1期末考试

晶体的对称性作业2期末考试

晶体的衍射作业2期末考试

2、晶体的结合类型。晶体的结合能的一般性质作业3期末考试

离子键和分子键的计算方法作业3期末考试

六种结合力和它们的特点作业3期末考试

课程目标2的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、晶体的振动格波的概念，单原子链和双原子链的格波模型作业4期末考试

2和晶体热容的量子理论。理解晶体主要缺陷和规律理解晶格振动的量子化，爱因斯坦和德拜模型求晶格热容的计算方法作业5期末考试

课程目标3的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、布洛赫波，晶体中的电子的能带理论布洛赫波，晶体中的电子的能量取值特点，两种模型的计算方法作业6期末考试

2、理解晶体中的电子在电场和磁场中的行为晶体中的电子的有效质量、速度和能量的关系作业7期末考试

课程目标4的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点自由电子论的电子热容，认识电子的输运性质能够费米分布函数，会估算电子热容，理解金属中的电子热容的对晶体热容的贡献作业8期末考试

课程目标5的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点能用固体物理原理进行模型建立和计算，解释材料的机理问题，预测材料的物理性能对已有材料的一些物理性能用固体物理的一些相关知识阐明原因。课堂讨论1

文献的阅读和毕业设计中相关的问题遇到的材料的物理性能的解释和理解。课堂讨论2

七、课程目标达成评价与持续改进机制1.课程评价课程评价周期定为每2年评价一次，评价小组由教学指导委员会和专业负