《固体物理》课程教学大纲

《固体物理》教学大纲课程编号：10180234英文名称：SolidStatePhysics学分：3学时：总学时48学时，其中理论48学时，实践0学时先修课程：普通物理、热力学与统计物理、原子物理学、量子力学课程类别：专业基础课程授课对象：新能源材料与器件专业学生教学单位：数理信息学院修读学期：第4学期课程描述和目标本课程是新能源材料与器件专业学生一门重要的专业基础课程。主要研究固体的结构及组成粒子之间的相互作用与运动规律，阐明固体的性能和用途。通过整个教学过程，使学生理解晶体结构的基本描述，晶格声子及固体电子理论，掌握周期性结构的固体材料的常规性质和研究方法，了解固体物理领域的一些新进展。能够熟练掌握基本的物理方法，并具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：掌握晶体结构的基本描述和晶体结合的基本键合作用，理解晶体微观结构和宏观性质的联系。课程目标2：掌握晶格振动的基本概念和物理图像；理解晶格振动的量子化，理解比较抽象的晶格振动的元激发“声子”的概念，并能用声子理论解释晶体材料相关热学性质。课程目标3：熟悉固体电子论和能带理论等基本概念和物理图像，掌握周期性结构的固体材料的常规性质和研究方法，了解固体物理领域的一些新进展，具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，培养科学思维和创新能力。课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重指标点1-1.能将数学、自然科学、工程科学的语言工具用于新能源材料与器件问题的表述;课程目标1、2、3H指标点2-1.能够应用数学、物理等自然科学知识和基本原理，建立和求解数学模型；课程目标1、2、3H指标点4-1：能够借助文献研究和新能源材料与器件学科相关原理，分析问题域的复杂性并抽取关键特征，设计实验方案；课程目标3M三、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标1晶体结构教学内容：原子的周期性排列；晶向和晶面；晶格的基本类型。基本要求：了解非晶态、准晶态，晶体结构测定，掌握晶体的构成要素、原胞的基本概念及其选取方法；理解晶格的对称性及布拉伐格子，掌握晶格的基本类型；掌握晶向、晶面指数系统。重点：晶体的构成要素、晶向、晶面指数系统难点：原胞的选取、原胞基矢的确定德育要求：培养学生通过学习晶体结构，揭示原子间的本质联系。让学生善于透过现象看本质，善于抓住事物的根本和关键。8集中授课小组讨论课程目标12晶体衍射和倒易点阵教学内容：倒格子空间的引入；倒易点阵；布里渊区。基本要求：理解倒格子空间；掌握布里渊区的定义及其选取方法；理解晶体衍射原理。重点：倒格子、X射线衍射难点：倒格子与正格子间的关系德育要求：利用数学中的傅里叶变换得到的相空间即倒空间来解决晶体的物理规律，培养学生灵活应用基本数学知识解决实际问题的能力。10集中授课小组讨论课程目标13晶体结合教学内容：晶体结合的基本类型，结合力的一般性质，范德瓦尔斯结合，离子晶体的结合能。基本要求：掌握范德瓦尔斯结合的本质；掌握马德隆能，能计算一维和二维离子晶体的马德隆常数，会推导离子晶体的结合能；了解共价结合的相关特性；了解金属性结合的相关特性；了解氢键结合的相关特性。重点：晶体结合的基本类型、结合能难点：马德隆常数的计算德育要求：培养学生善于透过现象看本质，善于抓住事物的根本和关键。8课前导学课堂讲授课程目标1课程目标34声子I教学内容：简谐近似；一维原子链的振动；声学波和光学波；晶格振动的量子化。基本要求：理解简谐近似的合理性；掌握一维单原子链和一维双原子链的振动特性及色散关系；掌握声学波和光学波各自的物理特性；理解晶格振动的量子化，理解比较抽象的晶格振动的元激发“声子”的概念。重点：一维单原子链和一维双原子链的振动特性及色散关系难点：“声子”概念的理解德育要求：通过简谐近似解决晶格振动问题，培养学生“抓主要矛盾”解决实际问题的能力。8集中授课、小组讨论课程目标25声子II教学内容：比热的量子理论；晶格热传导；晶格热膨胀。基本要求：了解比热的经典理论以及量子理论的爱因斯坦模型和德拜模型；理解影响晶格热传导的各个因素；理解晶格热膨胀为非简谐效应导致的结果，能定性解释晶格热膨胀。重点：比热的量子理论难点：比热的量子理论德育要求：爱因斯坦是第一个尝试求解比热问题的人，但他的理论过于粗糙，与实验相违背，但爱因斯坦这种勇于探索和敢于做第一个吃螃蟹的人的精神，可激发学生对科研的钻研精神，及面对问题迎难而上的勇气。7集中授课小组讨论课程目标26能带理论教学内容：能带和能隙；导体、半导体和绝缘体的能带论解释。基本要求：通过本章的教学，使学生能够了解晶体能带理论的基本假设和处理问题的基本思路；理解导体、半导体、绝缘体的能带论解释。重点：导体、半导体、绝缘体的能带论解释难点：能带论解释德育要求：布洛赫质疑电子在晶体中的运动不可能像处在真空中一样完全自由，最后提出了布洛赫定理，给出了普适的波函数形式，为求解能带结构奠定了基础。通过列举布洛赫的例子，激励勤于思考，追求求实、求真的精神和创新意识。7集中授课小组讨论课程目标3合计48四、课程教学方法课堂集中讲授、小组讨论、线上教学、慕课等教学方式。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容主要由平时作业、课堂表现、期中测试、期末考核组成，均按百分制计分，其中期末考核成绩占60%、平时作业成绩占10%、课堂表现成绩占10%、期中测试成绩占20%。2.课程目标达成考核与评价序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）合计1平时作业550102课堂表现055103期中测试5105204期末考试30201060课程目标对应分值404020100（二）考核与评价标准1.平时成绩考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分作业按时完成，90%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握到位。按时完成，70%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握较到位。延时完成，60%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握基本到位。不交和补交，50%以下的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握有偏差。2.课堂表现考核与评价标准课堂回答问题的积极性和正确率。每旷课一次扣2分。3.期中测试与评价标准根据测试题目及评分标注进行打分（百分制）。4.期末试卷考核与评价标准根据期末试卷及评分标注进行打分（百分制）。六、教材与参考书（一）推荐教材1．《固体物理学导论》，[美]基泰尔主编，北京：化