《固體物理B》課程大綱

《固體物理B》課程大綱

課程代碼080121L課程名稱中文名:固體物理B英文名:SolidPhysics

B課程類別專業(yè)課修讀類別限選學(xué)

分3.0學(xué)

時48開課學(xué)期第5學(xué)期開課單位材料科學(xué)與工程學(xué)院功能材料系適用專業(yè)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)先修課程材料科學(xué)基礎(chǔ)，高等數(shù)學(xué)，大學(xué)物理，材料性能學(xué)后續(xù)有關(guān)專業(yè)課程和教學(xué)環(huán)節(jié)陶瓷材料學(xué)，計算材料學(xué)，畢業(yè)設(shè)計（論文）主講教師／職稱王瑞敏/副教授、于剛/副教授、秦國強/副教授考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例作業(yè)+課堂成績+期末考試（10%）+（10+%）（80%）教材及主要參考書（1）《固體物理教程》，王矜奉主編，山東大學(xué)出版社，2013（2）《固體物理》，黃昆原著韓汝琦改編，高等教育出版社，2000（3）《固體物理導(dǎo)論》，（美）C.基泰爾主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2005（4）《固體物理學(xué)》，陸棟主編，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010一、課程性質(zhì)和目標(biāo)《固體物理B》是無機(jī)非金屬材料專業(yè)的專業(yè)課、限選課。課程主要內(nèi)容包括固體物理中的基本概念、晶體結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)合、晶體中電子和晶格的運動規(guī)律以及能帶的計算方法、自由電子論和電子的輸運性質(zhì)。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究無機(jī)非金屬材料打下理論基礎(chǔ)。知識目標(biāo)：解釋晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合類型、晶體對稱性和晶體衍射的特點和規(guī)律表達(dá)。解釋晶體振動和晶體熱容的量子理論，理解晶體主要缺陷理論和計算規(guī)律。解釋能帶理論，解釋和分析晶體中的電子在電場和磁場中的行為。解釋自由電子論的電子熱容理論，認(rèn)識電子的輸運性質(zhì)。能力目標(biāo)：能用固體物理原理進(jìn)行模型建立和計算，解釋材料的機(jī)理問題，預(yù)測材料的物理性能。二

本課程所支撐的畢業(yè)要求本課程所能支撐的畢業(yè)要求和課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系序號畢業(yè)要求指標(biāo)點畢業(yè)要求指標(biāo)點具體內(nèi)容課程目標(biāo)1畢業(yè)要求1-2能夠應(yīng)用物理、化學(xué)等自然科學(xué)基礎(chǔ)知識解釋復(fù)雜工程問題涉及的物理及化學(xué)問題。課程目標(biāo)1、2、3、4、52畢業(yè)要求1-4能綜合分析材料組成、結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用之間關(guān)系，通過檢測和問題分析，就復(fù)雜無機(jī)非金屬材料工程問題的解決方案進(jìn)行比較與綜合。課程目標(biāo)1、2、3、4、53畢業(yè)要求5-3能根據(jù)混凝土/陶瓷產(chǎn)品研發(fā)與檢測需要，選擇分析方法與現(xiàn)代工具對復(fù)雜無機(jī)非金屬材料工程問題進(jìn)行模擬預(yù)測和結(jié)果分析，并能分析模擬和預(yù)測的局限性。課程目標(biāo)5

（2）本課程內(nèi)容與課程目標(biāo)、畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系教學(xué)內(nèi)容課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點理論教學(xué)第一章緒論課程目標(biāo)5畢業(yè)要求1.4第二章晶體的結(jié)構(gòu)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)5畢業(yè)要求1.2、1.4第三章晶體的結(jié)合課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)5畢業(yè)要求1.2、1.4第四章晶體振動與晶體熱學(xué)性質(zhì)課程目標(biāo)2、課程目標(biāo)5畢業(yè)要求1.2、1.4第五章晶體的缺陷課程目標(biāo)2、課程目標(biāo)5畢業(yè)要求1.2、1.4第六章晶體中電子能帶理論課程目標(biāo)3畢業(yè)要求1.2第七章自由電子論和電子的輸運性質(zhì)課程目標(biāo)4畢業(yè)要求1.2三

教學(xué)內(nèi)容及安排（一）

理論教學(xué)基本內(nèi)容（48學(xué)時）（一）

緒論

（2學(xué)時）1基本要求理解固體物理研究的問題，課程大綱內(nèi)容。2教學(xué)內(nèi)容固體物理的研究對象；學(xué)習(xí)固體物理的意義和在無機(jī)非金屬專業(yè)的地位和意義；課程大綱解讀課程性質(zhì)、目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的關(guān)系、教學(xué)與學(xué)習(xí)方法、教學(xué)進(jìn)程、考核形式與基本要求，預(yù)期達(dá)成學(xué)習(xí)效果。3重點重點：固體物理的在本專業(yè)的意義和學(xué)習(xí)方法。（二）

晶體的結(jié)構(gòu)（6學(xué)時）1基本要求解釋倒格子的概念和基本性質(zhì)。解釋晶體點群和對稱性。解釋倒格子和晶體衍射的關(guān)系。2教學(xué)內(nèi)容晶體結(jié)構(gòu)的周期性、晶面指數(shù)與晶向指數(shù)。配位數(shù)與密堆積。晶胞和晶體的宏觀對稱性以及32個晶體學(xué)點群。倒格子與布里淵區(qū)。晶體的衍射3重點和難點重點：晶體結(jié)構(gòu)的種類，倒格子。難點：倒格子和晶體衍射。（三）

晶體的結(jié)合（4學(xué)時）1基本要求晶體的四種鍵合方式。離子晶體和范德瓦爾斯晶體的結(jié)合能的計算。2教學(xué)內(nèi)容晶體的結(jié)合類型：離子性結(jié)合、共價結(jié)合、金屬結(jié)合和范德瓦爾斯結(jié)合，結(jié)合力和結(jié)合能。3重點和難點重點：離子性結(jié)合和范德瓦爾斯結(jié)合。難點：結(jié)合能的計算。（四）

晶格振動與晶體熱學(xué)性質(zhì)（8學(xué)時）1基本要求1）晶格振動的基本概念和理論。2）兩類格波：長聲學(xué)波和離子晶體的長光學(xué)波，晶格振動模式密度，聲子的熱容。3）熟練一維原子鏈中格波的產(chǎn)生和格波的色散關(guān)系，以及離子晶體的長光學(xué)波的描述。4）從晶體的振動角度，認(rèn)識晶格熱容的量子理論和聲子基本知識以及德拜模型。2教學(xué)內(nèi)容簡諧近似與簡正坐標(biāo)得到一維單原子鏈和一維雙原子鏈晶格振動方程的方法，得到晶格振動的聲學(xué)波與光學(xué)波。離子晶體的長光學(xué)波近似。晶格振動理論理解晶體熱容、熱傳導(dǎo)、熱膨脹的物理本質(zhì)。重點：晶格熱容的量子理論，德拜模型。（五）

晶體的缺陷（4學(xué)時）1基本要求難點：格波量子化和能態(tài)密度。3重點和難點熱缺陷的計算；晶體缺陷的類型。理解位錯的相互作用。教學(xué)內(nèi)容晶體缺陷的類型。位錯缺陷的性質(zhì)。熱缺陷的統(tǒng)計理論。熱缺陷的擴(kuò)散。重點：熱缺陷的統(tǒng)計理論和熱缺陷的擴(kuò)散。（六）

晶體中電子能帶理論（16學(xué)時）1基本要求難點：熱缺陷的統(tǒng)計理論的理解和計算。3重點和難點能帶，布里淵區(qū)，能態(tài)密度，費米面，波包和空穴。從布洛赫定理和一維晶體中電子運動的近自由電子近似，認(rèn)識晶體中電子運動的特點以及能帶的形成，同時介紹一些晶體能帶的計算方法。從能帶理論出發(fā)，研究晶體中電子在電場和磁場中的運動，理解固體物質(zhì)的導(dǎo)電行為。電子在晶體中的速度與電流密度和電子由外加力場所產(chǎn)生的加速度及有效質(zhì)量。2教學(xué)內(nèi)容布洛赫定理，一維周期場中電子運動的近自由電子近似，三維周期場中電子運動的近自由電子近似。介紹贗勢，緊束縛近似。晶體能帶的對稱性，能態(tài)密度與費米面。光電子譜研究能帶結(jié)構(gòu)，金屬元素的能帶結(jié)構(gòu)。電子運動的半經(jīng)典模型，恒定電場作用下電子的運動，恒定磁場下電子的運動和DeHass—VanAlphen效應(yīng)，回旋共振。重點：布洛赫定理，一維晶體近自由電子近似、緊束縛近似和能帶理論。（七）

自由電子論和電子的輸運性質(zhì)（8學(xué)時）難點：布洛赫定理，能帶理論。3重點和難點基本要求2)電子熱容量的計算，4)理解波爾茲曼方程，認(rèn)識電子輸運問題1)費米統(tǒng)計電子熱容量，功函數(shù)與接觸電勢，分布函數(shù)波爾茲曼方程，電導(dǎo)率.熱導(dǎo)率與熱電勢，霍爾效應(yīng)與磁阻。重點：費米統(tǒng)計，金屬電子熱容的解釋。四、達(dá)成課程目標(biāo)的途徑和措施本課程涉及到的教學(xué)方法有“講授法”和“直觀演示法”等，具體根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)不同采取更合適的教學(xué)方法。理論教學(xué)過程中，采用的教學(xué)方法有“講授與視頻結(jié)合法”、“討論法”等，具體根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)不同采取更合適的教學(xué)方法。每次課堂講授結(jié)束以后，均布置3~5道的課后習(xí)題，這也是每次授課的知識重點。對于作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的共性問題，教師在下次上課時集中講解。對于個別程度達(dá)不到要求的同學(xué)，授課教師指定名單要求這些同學(xué)參加教師課后輔導(dǎo)和答疑。另外，教師應(yīng)認(rèn)識學(xué)生對知識和理解方面的問題，并征集學(xué)生對教學(xué)方面的意見，促進(jìn)畢業(yè)要求指標(biāo)點的達(dá)成。2.教學(xué)手段3.課外閱讀要求4.多環(huán)節(jié)訓(xùn)練（2）課堂討論五、課程綜合記分方法課程考核由平時成績（包括作業(yè)和課堂表現(xiàn)）和期末考試兩部分組成，內(nèi)容須覆蓋全部課程目標(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)點。各考核環(huán)節(jié)及所占比重見下表：（3）期末考試（1）作業(yè)推薦學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)資源、校園網(wǎng)資源（校園網(wǎng)數(shù)據(jù)庫）、圖書館資源（期刊、專業(yè)文獻(xiàn)）等多種手段獲取信息，進(jìn)行課外閱讀。通過課外閱讀，既能加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，又能拓展專業(yè)視野，緊跟行業(yè)發(fā)展前沿。本課程利用采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，采用“多媒體”結(jié)合“板書”的教學(xué)手段進(jìn)行授課，“多媒體”可將抽象的內(nèi)容生動化，“板書”可用于輔助表達(dá)，二者充分發(fā)揮優(yōu)勢，揚長避短。理論部分授課以“講授法”為主，并與課堂學(xué)生討論等互動方式配合使用。在授課中會穿插習(xí)題課的內(nèi)容，講解一些有代表性的習(xí)題，幫助學(xué)生所學(xué)知識。此外在每一章講授結(jié)束后，均布置3-5道課后習(xí)題，作業(yè)面覆蓋所講內(nèi)容的難點和重點，以便于學(xué)生鞏固所講內(nèi)容及考試復(fù)習(xí)。對于作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的問題會及時向?qū)W生講解，并幫助改進(jìn)同學(xué)的學(xué)習(xí)方法。（2）學(xué)生作業(yè)（1）課堂講授1.教學(xué)方法難點：金屬中的電子熱容的解釋。3重點和難點2教學(xué)內(nèi)容3)理解功函數(shù)與接觸電勢等概念，1)理解費米統(tǒng)計，考核環(huán)節(jié)比重（%）作業(yè)10課堂討論10期末考試80總計100（注：無故曠課1/3者，不允許參加期末考試。）各個環(huán)節(jié)的評分標(biāo)準(zhǔn)如下：作業(yè)每次作業(yè)必須在正式上課前交，遲交作業(yè)或作業(yè)不滿足下列要求，均以零分計。每次作業(yè)按百分制評分，總評后折算成10分。作業(yè)的評分標(biāo)準(zhǔn)觀測點85～100分75～84分60～74分<60分完成進(jìn)度（權(quán)重0.1）嚴(yán)格按照作業(yè)要求并及時完成基本按照作業(yè)要求并及時完成

不能按照作業(yè)要求，未及時完成不能按照作業(yè)要求未及時完成概念清楚（權(quán)重0.2）概念清晰概念基本清晰概念不清晰概念錯誤計算能力（權(quán)重0.5）完全正確基本正確部分錯誤完全錯誤分析或結(jié)論有效性（權(quán)重0.2）分析正確，結(jié)論有效分析基本合理，結(jié)論基本有效分析不合理

未給出分析

每次課堂討論成績按百分制評分，總評后折算成10分。課堂討論的評分標(biāo)準(zhǔn)觀測點85～100分75～84分60～74分<60分參與程度（權(quán)重0.4）積極主動討論能夠參與討論比較被動不參與討論的質(zhì)量（權(quán)重0.6）回答問題有自己的觀點，思路清晰能夠?qū)栴}有自己的理解但是有知識運用的偏差叫到會說些自己的一些想法，但是概念原理會比較模糊對問題基本沒有自己的想法

3.期末考試期末考試成績是通過閉卷考試的卷面成績給出，考核內(nèi)容覆蓋課程所講的晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)合、晶體的熱學(xué)性質(zhì)、能帶理論和金屬電子論等知識點。按期末考試的標(biāo)準(zhǔn)答案和評分標(biāo)準(zhǔn)百分制評分，總評后折算成80分。試卷藍(lán)圖設(shè)計課程目標(biāo)把握能力層次（對應(yīng)試題）目標(biāo)分值百分比（%）認(rèn)識理解應(yīng)用1168832402412/////1620388824304//////////8810各項分值282824

百分比（%）353530

100六、評估方法每學(xué)期課程結(jié)束后進(jìn)行課程評估。本課程采用基于課程目標(biāo)（即預(yù)期學(xué)習(xí)成果）的評估方法，包括：1）根據(jù)課程目標(biāo)設(shè)計并實施相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動；2）收集學(xué)習(xí)活動中各種學(xué)習(xí)成果的評估資料；3）分析和評估實際的學(xué)習(xí)成果，做出正確的判斷。4）寫出反思和持續(xù)改進(jìn)報告（包括評估過程、評估結(jié)果、教學(xué)反思和持續(xù)改進(jìn)）。課程目標(biāo)1

的評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點1、晶體結(jié)構(gòu)的基本類型，晶體對稱性和晶體的衍射晶體結(jié)構(gòu)的基本類型作業(yè)1期末考試

晶體的對稱性作業(yè)2期末考試

晶體的衍射作業(yè)2期末考試

2、晶體的結(jié)合類型。晶體的結(jié)合能的一般性質(zhì)作業(yè)3期末考試

離子鍵和分子鍵的計算方法作業(yè)3期末考試

六種結(jié)合力和它們的特點作業(yè)3期末考試

課程目標(biāo)2的評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點1、晶體的振動格波的概念，單原子鏈和雙原子鏈的格波模型作業(yè)4期末考試

2和晶體熱容的量子理論。理解晶體主要缺陷和規(guī)律理解晶格振動的量子化，愛因斯坦和德拜模型求晶格熱容的計算方法作業(yè)5期末考試

課程目標(biāo)3的評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點1、布洛赫波，晶體中的電子的能帶理論布洛赫波，晶體中的電子的能量取值特點，兩種模型的計算方法作業(yè)6期末考試

2、理解晶體中的電子在電場和磁場中的行為晶體中的電子的有效質(zhì)量、速度和能量的關(guān)系作業(yè)7期末考試

課程目標(biāo)4的評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點自由電子論的電子熱容，認(rèn)識電子的輸運性質(zhì)能夠費米分布函數(shù)，會估算電子熱容，理解金屬中的電子熱容的對晶體熱容的貢獻(xiàn)作業(yè)8期末考試

課程目標(biāo)5的評估設(shè)計學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過程和觀測預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測點能用固體物理原理進(jìn)行模型建立和計算，解釋材料的機(jī)理問題，預(yù)測材料的物理性能對已有材料的一些物理性能用固體物理的一些相關(guān)知識闡明原因。課堂討論1

文獻(xiàn)的閱讀和畢業(yè)設(shè)計中相關(guān)的問題遇到的材料的物理性能的解釋和理解。課堂討論2

七、課程目標(biāo)達(dá)成評價與持續(xù)改進(jìn)機(jī)制1.課程評價課程評價周期定為每2年評價一次，評價小組由教學(xué)指導(dǎo)委員會和專業(yè)負(fù)