《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(chēng)中文名:固體物理B英文名:SolidPhysics

B課程類(lèi)別專(zhuān)業(yè)課修讀類(lèi)別限選學(xué)

分3.0學(xué)

時(shí)48開(kāi)課學(xué)期第5學(xué)期開(kāi)課單位材料科學(xué)與工程學(xué)院功能材料系適用專(zhuān)業(yè)無(wú)機(jī)非金屬材料工程專(zhuān)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(zhuān)業(yè)課程和教學(xué)環(huán)節(jié)陶瓷材料學(xué)，計(jì)算材料學(xué)，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主講教師／職稱(chēng)王瑞敏/副教授、于剛/副教授、秦國(guó)強(qiáng)/副教授考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例作業(yè)+課堂成績(jī)+期末考試（10%）+（10+%）（80%）教材及主要參考書(shū)（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，上海科學(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(wú)機(jī)非金屬材料專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)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(yùn)動(dòng)規(guī)律以及能帶的計(jì)算方法、自由電子論和電子的輸運(yùn)性質(zhì)。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究無(wú)機(jī)非金屬材料打下理論基礎(chǔ)。知識(shí)目標(biāo)：解釋晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合類(lèi)型、晶體對(duì)稱(chēng)性和晶體衍射的特點(diǎn)和規(guī)律表達(dá)。解釋晶體振動(dòng)和晶體熱容的量子理論，理解晶體主要缺陷理論和計(jì)算規(guī)律。解釋能帶理論，解釋和分析晶體中的電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的行為。解釋自由電子論的電子熱容理論，認(rèn)識(shí)電子的輸運(yùn)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(jì)算，解釋材料的機(jī)理問(wèn)題，預(yù)測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系序號(hào)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)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(shí)解釋復(fù)雜工程問(wèn)題涉及的物理及化學(xué)問(wèn)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(guò)檢測(cè)和問(wèn)題分析，就復(fù)雜無(wú)機(jī)非金屬材料工程問(wèn)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(cè)需要，選擇分析方法與現(xiàn)代工具對(duì)復(fù)雜無(wú)機(jī)非金屬材料工程問(wèn)題進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)和結(jié)果分析，并能分析模擬和預(yù)測(cè)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(diǎn)的對(duì)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(diǎn)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(dòng)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(yùn)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(shí)）（一）

緒論

（2學(xué)時(shí)）1基本要求理解固體物理研究的問(wèn)題，課程大綱內(nèi)容。2教學(xué)內(nèi)容固體物理的研究對(duì)象；學(xué)習(xí)固體物理的意義和在無(wú)機(jī)非金屬專(zhuān)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(diǎn)重點(diǎn)：固體物理的在本專(zhuān)業(yè)的意義和學(xué)習(xí)方法。（二）

晶體的結(jié)構(gòu)（6學(xué)時(shí)）1基本要求解釋倒格子的概念和基本性質(zhì)。解釋晶體點(diǎn)群和對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)性以及32個(gè)晶體學(xué)點(diǎn)群。倒格子與布里淵區(qū)。晶體的衍射3重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：晶體結(jié)構(gòu)的種類(lèi)，倒格子。難點(diǎn)：倒格子和晶體衍射。（三）

晶體的結(jié)合（4學(xué)時(shí)）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(jì)算。2教學(xué)內(nèi)容晶體的結(jié)合類(lèi)型：離子性結(jié)合、共價(jià)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(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：離子性結(jié)合和范德瓦爾斯結(jié)合。難點(diǎn)：結(jié)合能的計(jì)算。（四）

晶格振動(dòng)與晶體熱學(xué)性質(zhì)（8學(xué)時(shí)）1基本要求1）晶格振動(dòng)的基本概念和理論。2）兩類(lèi)格波：長(zhǎng)聲學(xué)波和離子晶體的長(zhǎng)光學(xué)波，晶格振動(dòng)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(zhǎng)光學(xué)波的描述。4）從晶體的振動(dòng)角度，認(rèn)識(shí)晶格熱容的量子理論和聲子基本知識(shí)以及德拜模型。2教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)諧近似與簡(jiǎn)正坐標(biāo)得到一維單原子鏈和一維雙原子鏈晶格振動(dòng)方程的方法，得到晶格振動(dòng)的聲學(xué)波與光學(xué)波。離子晶體的長(zhǎng)光學(xué)波近似。晶格振動(dòng)理論理解晶體熱容、熱傳導(dǎo)、熱膨脹的物理本質(zhì)。重點(diǎn)：晶格熱容的量子理論，德拜模型。（五）

晶體的缺陷（4學(xué)時(shí)）1基本要求難點(diǎn)：格波量子化和能態(tài)密度。3重點(diǎn)和難點(diǎn)熱缺陷的計(jì)算；晶體缺陷的類(lèi)型。理解位錯(cuò)的相互作用。教學(xué)內(nèi)容晶體缺陷的類(lèi)型。位錯(cuò)缺陷的性質(zhì)。熱缺陷的統(tǒng)計(jì)理論。熱缺陷的擴(kuò)散。重點(diǎn)：熱缺陷的統(tǒng)計(jì)理論和熱缺陷的擴(kuò)散。（六）

晶體中電子能帶理論（16學(xué)時(shí)）1基本要求難點(diǎn)：熱缺陷的統(tǒng)計(jì)理論的理解和計(jì)算。3重點(diǎn)和難點(diǎn)能帶，布里淵區(qū)，能態(tài)密度，費(fèi)米面，波包和空穴。從布洛赫定理和一維晶體中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似，認(rèn)識(shí)晶體中電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)以及能帶的形成，同時(shí)介紹一些晶體能帶的計(jì)算方法。從能帶理論出發(fā)，研究晶體中電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)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(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似，三維周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似。介紹贗勢(shì)，緊束縛近似。晶體能帶的對(duì)稱(chēng)性，能態(tài)密度與費(fèi)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(yùn)動(dòng)的半經(jīng)典模型，恒定電場(chǎng)作用下電子的運(yùn)動(dòng)，恒定磁場(chǎng)下電子的運(yùn)動(dòng)和DeHass—VanAlphen效應(yīng)，回旋共振。重點(diǎn)：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(yùn)性質(zhì)（8學(xué)時(shí)）難點(diǎn)：布洛赫定理，能帶理論。3重點(diǎn)和難點(diǎn)基本要求2)電子熱容量的計(jì)算，4)理解波爾茲曼方程，認(rèn)識(shí)電子輸運(yùn)問(wèn)題1)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)電子熱容量，功函數(shù)與接觸電勢(shì)，分布函數(shù)波爾茲曼方程，電導(dǎo)率.熱導(dǎo)率與熱電勢(shì)，霍爾效應(yīng)與磁阻。重點(diǎn)：費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，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(guò)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(shí)重點(diǎn)。對(duì)于作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的共性問(wèn)題，教師在下次上課時(shí)集中講解。對(duì)于個(gè)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(shí)學(xué)生對(duì)知識(shí)和理解方面的問(wèn)題，并征集學(xué)生對(duì)教學(xué)方面的意見(jiàn)，促進(jìn)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)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(shí)成績(jī)（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(diǎn)。各考核環(huán)節(jié)及所占比重見(jiàn)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(kù)）、圖書(shū)館資源（期刊、專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)）等多種手段獲取信息，進(jìn)行課外閱讀。通過(guò)課外閱讀，既能加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，又能拓展專(zhuān)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(shū)”的教學(xué)手段進(jìn)行授課，“多媒體”可將抽象的內(nèi)容生動(dòng)化，“板書(shū)”可用于輔助表達(dá)，二者充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)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(dòng)方式配合使用。在授課中會(huì)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(shí)。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(diǎn)和重點(diǎn)，以便于學(xué)生鞏固所講內(nèi)容及考試復(fù)習(xí)。對(duì)于作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題會(huì)及時(shí)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(diǎn)：金屬中的電子熱容的解釋。3重點(diǎn)和難點(diǎn)2教學(xué)內(nèi)容3)理解功函數(shù)與接觸電勢(shì)等概念，1)理解費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，考核環(huán)節(jié)比重（%）作業(yè)10課堂討論10期末考試80總計(jì)100（注：無(wú)故曠課1/3者，不允許參加期末考試。）各個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)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(jì)。每次作業(yè)按百分制評(píng)分，總評(píng)后折算成10分。作業(yè)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)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(shí)完成基本按照作業(yè)要求并及時(shí)完成

不能按照作業(yè)要求，未及時(shí)完成不能按照作業(yè)要求未及時(shí)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(cuò)誤計(jì)算能力（權(quán)重0.5）完全正確基本正確部分錯(cuò)誤完全錯(cuò)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(jī)按百分制評(píng)分，總評(píng)后折算成10分。課堂討論的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)85～100分75～84分60～74分<60分參與程度（權(quán)重0.4）積極主動(dòng)討論能夠參與討論比較被動(dòng)不參與討論的質(zhì)量（權(quán)重0.6）回答問(wèn)題有自己的觀點(diǎn)，思路清晰能夠?qū)?wèn)題有自己的理解但是有知識(shí)運(yùn)用的偏差叫到會(huì)說(shuō)些自己的一些想法，但是概念原理會(huì)比較模糊對(duì)問(wèn)題基本沒(méi)有自己的想法

3.期末考試期末考試成績(jī)是通過(guò)閉卷考試的卷面成績(jī)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(shí)點(diǎn)。按期末考試的標(biāo)準(zhǔn)答案和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)百分制評(píng)分，總評(píng)后折算成80分。試卷藍(lán)圖設(shè)計(jì)課程目標(biāo)把握能力層次（對(duì)應(yīng)試題）目標(biāo)分值百分比（%）認(rèn)識(shí)理解應(yīng)用1168832402412/////1620388824304//////////8810各項(xiàng)分值282824

百分比（%）353530

100六、評(píng)估方法每學(xué)期課程結(jié)束后進(jìn)行課程評(píng)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(píng)估方法，包括：1）根據(jù)課程目標(biāo)設(shè)計(jì)并實(shí)施相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動(dòng)；2）收集學(xué)習(xí)活動(dòng)中各種學(xué)習(xí)成果的評(píng)估資料；3）分析和評(píng)估實(shí)際的學(xué)習(xí)成果，做出正確的判斷。4）寫(xiě)出反思和持續(xù)改進(jìn)報(bào)告（包括評(píng)估過(guò)程、評(píng)估結(jié)果、教學(xué)反思和持續(xù)改進(jìn)）。課程目標(biāo)1

的評(píng)估設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過(guò)程和觀測(cè)預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實(shí)施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測(cè)點(diǎn)1、晶體結(jié)構(gòu)的基本類(lèi)型，晶體對(duì)稱(chēng)性和晶體的衍射晶體結(jié)構(gòu)的基本類(lèi)型作業(yè)1期末考試

晶體的對(duì)稱(chēng)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(lèi)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(jì)算方法作業(yè)3期末考試

六種結(jié)合力和它們的特點(diǎn)作業(yè)3期末考試

課程目標(biāo)2的評(píng)估設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過(guò)程和觀測(cè)預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實(shí)施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測(cè)點(diǎn)1、晶體的振動(dòng)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(dòng)的量子化，愛(ài)因斯坦和德拜模型求晶格熱容的計(jì)算方法作業(yè)5期末考試

課程目標(biāo)3的評(píng)估設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過(guò)程和觀測(cè)預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實(shí)施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測(cè)點(diǎn)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(diǎn)，兩種模型的計(jì)算方法作業(yè)6期末考試

2、理解晶體中的電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(píng)估設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過(guò)程和觀測(cè)預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實(shí)施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測(cè)點(diǎn)自由電子論的電子熱容，認(rèn)識(shí)電子的輸運(yùn)性質(zhì)能夠費(fèi)米分布函數(shù)，會(huì)估算電子熱容，理解金屬中的電子熱容的對(duì)晶體熱容的貢獻(xiàn)作業(yè)8期末考試

課程目標(biāo)5的評(píng)估設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)任務(wù)、過(guò)程和觀測(cè)預(yù)期學(xué)習(xí)成果細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果及實(shí)施準(zhǔn)則預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)觀測(cè)點(diǎn)能用固體物理原理進(jìn)行模型建立和計(jì)算，解釋材料的機(jī)理問(wèn)題，預(yù)測(cè)材料的物理性能對(duì)已有材料的一些物理性能用固體物理的一些相關(guān)知識(shí)闡明原因。課堂討論1

文獻(xiàn)的閱讀和畢業(yè)設(shè)計(jì)中相關(guān)的問(wèn)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(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)機(jī)制1.課程評(píng)價(jià)課程評(píng)價(jià)周期定為每2年評(píng)價(jià)一次，評(píng)價(jià)小組由教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和專(zhuān)業(yè)負(fù)