«МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА БАКАЛАВРОВ ПО ОЧНО-ЗАОЧНОЙ (ВЕЧЕРНЕЙ) И ЗАОЧНОЙ ФОРМАМ ОБУЧЕНИЯ Москва 2009 СОДЕРЖАНИЕ Разработка учебного плана бакалавриата..2 Подготовка бакалавров по ...»

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Численные методы моделирования многомасштабных процессов Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Целью курса «Численные методы моделирования многомасштабных процессов»

является обучение студентов классическим и современным методам вычислительной математики, а именно: численным методам задач анализа, алгебры и теории приближений, численным методам решения задач для обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) и задач для уравнений в частных производных математической физики (УМФ), а также обучение навыкам в разработке алгоритмов и программных комплексов на современных компьютерах.

Задачей курса является овладение студентами численных методов линейной и общей алгебры, теории приближений, решения задач Коши и краевых задач для ОДУ, краевых и начально-краевых задач для УМФ. В задачу курса входит также овладение студентами элементов численного моделирования задач механики сплошной среды (МСС), а именно:

постановки, алгоритмизации и разработки программ численного решения задач МСС.

При изучении курса «Численные методы моделирования многомасштабных процессов»

требуется знание основ математического анализа, линейной алгебры, обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений математической физики.

Дисциплина «Численные методы моделирования многомасштабных процессов» является основным инструментом математического моделирования процессов, сопровождающих функционирование летательных аппаратов.

Тема 1. Элементы теории погрешностей (2 ч.).

Погрешность, абсолютная погрешность, предельная абсолютная погрешность.

Относительная погрешность. Связь погрешности и точности.

Тема 2. Численные методы линейной алгебры (6 ч.).

Прямые методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ): метод Гаусса с выбором ведущего элемента. Метод прогонки. Вычисление определителей матриц и их обращение с помощью метода Гаусса.

Итерационные методы решения СЛАУ: метод простых итераций. Введение в нормы векторов и матриц. Исследование сходимости метода простых итераций. Метод Зейделя.

Численные методы решения задач на собственные значения и собственные вектора матриц. Метод вращения Якоби. Степенной метод нахождения спектрального радиуса матрицы.

Тема 3. Численные методы общей алгебры (6 ч.).

Численные методы решения нелинейных уравнений. Методы отделения корней. Методы уточнения корней: половинного деления, хорд, касательных (Ньютона), итераций.

Исследование сходимости итерационных методов, улучшение сходимости, процедура Эйткена.

Численные методы решения систем нелинейных уравнений: метод простых итераций, метод Зейделя, метод Ньютона. Условия их применимости.

Тема 4. Теория приближений (10 ч.).

Исчисление конечных и разделенных разностей. Задача интерполяции, единственность многочленной интерполяции. Интерполяционные многочлены Лагранжа и Ньютона.

Погрешность многочленной интерполяции.

Локальная интерполяция. Сплайн интерполяция. Вывод кубического сплайна дефекта один.

Метод наименьших квадратов (точечный и интегральный).

Численное дифференцирование с помощью сглаживающих функций и с помощью отношения конечных разностей. Прядок и уточнение формул численного дифференцирования.

Численное интегрирование. Методы прямоугольников, трапеций, Симпсона и их геометрическая интерпретация, погрешность, порядок. Повышение порядка методов численного интегрирования (процедура Рунге).

Тема 5. Численные методы решения задач для обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) (10 ч.).

Постановка задач Коши для ОДУ и систем ОДУ. Методы Эйлера, Эйлера-Коши, РунгеКутта численного решения задач Коши для ОДУ и систем ОДУ. Выбор шага численного интегрирования задач Коши. Порядок метода, процедура Рунге повышения порядка метода.

Постановка краевых задач для ОДУ. Конечноразностный метод с использованием метода прогонки. Аппроксимация краевых условий, содержащих производные со вторым порядком. Итерационный метод пристрелки с использованием различных методов решения нелинейных уравнений.

Тема 6. Метод конечных разностей численного решения задач для уравнений математической физики (10 ч.).

Постановка задач математической физики для уравнений различных типов. Основные определения при замене дифференциальных операторов конечно-разностными: сетка, сеточная функция, шаблон, временной слой, явная и неявная конечно-разностные схемы. Конечноразностные схемы для уравнений математической физики различных типов.

Основные понятия, связанные с конечно-разностной аппроксимацией дифференциальных задач: аппроксимация и порядок аппроксимации, устойчивость, сходимость и порядок сходимости, консервативность и корректность. Теорема эквивалентности.

Анализ порядка аппроксимации. Исследование устойчивости методами: гармонического анализа, спектральным методом, с помощью принципа максимума, энергетическим методом для явных и неявных схем.

Методы конечных разностей численного решения задач для уравнений параболического, гиперболического и эллиптического типов. Однородные и консервативные схемы. Неявные схемы, схема Кранка-Николсона. Разностно-итерационный метод Либмана.

Конечно-разностная аппроксимация краевых условий содержащих производные. Методы прямых. Метод установления Годунова С.К. и его обоснование для эллиптических задач.

Тема 7. Метод конечных разностей решения многомерных задач математической физики. Методы расщепления (2 ч.).

Экономичность конечно-разностных схем для многомерных уравнений математической физики. Методы матричной прогонки, переменных направлений Писмена-Рэчфорда, дробных шагов Яненко Н.Н., центрально-симметричный Самарского А.А., переменных направлений Формалева В.Ф., полного расщепления Формалева-Тюкина. Численные методы решения задач для уравнений гиперболического типа: метод характеристик, метод Годунова С.К., задача о распаде произвольного разрыва.

Тема 8. Метод конечных элементов (МКЭ) (6 ч.).

Основы МКЭ. Система базисных и весовых функций. Методы взвешенных невязок:

коллокаций, Галеркина, наименьших квадратов. Конечно-элементный метод Галеркина решения краевых задач для ОДУ. Слабая формулировка. Формирование локальной и глобальной матриц жесткости, ансамблирование элементов. Случай граничных условий, содержащих производные. МКЭ в многомерных стационарных задача математической физики.

Принцип разбиения на конечные элементы. Формирование многомерных базисных функций.

МКЭ в многомерных нестационарных задачах математической физики. Вариационный принцип Рэлея-Ритца. Оценка погрешности в МКЭ.

Практические занятия направлены на выполнение расчетных работ Тема 1. Метод конечных элементов в задачах для уравнений Лапласа или Пуассона.

Построение базисных и весовых функций, локальных матриц жесткости (6 ч.).

Тема 2. Метод конечных элементов для уравнений эллиптического типа. Построение глобальных матриц жесткости и итоговых СЛАУ. Методы решения СЛАУ с ленточными матрицами (6 ч.).

Тема 3. Метод конечных элементов для нестационарных многомерных задач математической физики (4 ч.).

Тема 4. Особенности метода конечных элементов для пространственных задач математической физики (4 ч.).

Тема 1. Методы Гаусса и прогонки (2 ч.).

Тема 2. Метод простых итераций и Зейделя (2 ч.).

Тема 3. Метод вращений (2 ч.).

Тема 4. Методы половинного деления, Ньютона, итераций отделения корней нелинейных уравнений (2 ч.).

Тема 5. Построение интерполяционных многочленов Лагранжа и Ньютона (2 ч.).

Тема 6. Сплайн интерполяция (2 ч.).

Тема 7. Метод наименьших квадратов. Численное дифференцирование и интегрирование (2 ч.).

Тема 8. Метод Рунге-Кутта численного решения задач Коши (2 ч.).

Тема 9. Методы конечных разностей с использованием метода прогонки численного решения краевых задач для ОДУ с различными краевыми условиями (4 ч.).

Тема 10. Метод конечных разностей для уравнений параболического типа (уравнений диффузии) (4 ч.).

Тема 11. Метод конечных разностей для уравнений гиперболического типа (4 ч.).

Тема 12. Метод конечных элементов для ОДУ с граничными условиями I-го рода (4 ч.).

Тема 13. Метод конечных элементов для ОДУ с граничными содержащими производные (4 ч.).

1. Решение СЛАУ методом Гаусса и простых итераций.

2. Решение СЛАУ методом прогонки.

3. Методом вращения найти собственные вектора и собственные значения матрицы.

4. Методами половинного деления, Ньютона, итераций решить нелинейное уравнение.

5. Для заданной таблицы построить интерполяционные многочлены Лагранжа и Ньютона, определить погрешность в заданной точке.

6. Для таблицы по п.5. поострить кубические сплайны дефекта 1.

7. Найти производные 1-го и 2-го порядка по заданной таблице в заданной точке.

8. Методом Симпсона вычислить определенный интеграл.

9. Методом наименьших квадратов аппроксимировать заданную таблицу.

10. Методом Рунге-Кутта решить задачу Коши.

11. Методом прогонки решить краевую задачу для ОДУ с граничными условиями различных родов.

1. Разработать алгоритм и программу конечно-разностного решения начально-краевой задачи для нестационарного уравнения математической физики.

2. Методом конечных элементов решить краевую задачу для уравнения эллиптического типа. Составить программу.

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. – М.: Физматлит, 2004. 400 с.

Киреев В.И., Формалев В.Ф. Методы алгебры и теории приближений. – М.: Изд-во МАИ, 2001.

100 с.

2. Самарский А.А. Теория разностных схем. – М: Наука, 1978. 700 с 3. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. – М.: МИР, 1986.

3.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ

Выполнение расчетных и лабораторных работ проводится на базе компьютерного класса.

ДИСЦИПЛИНЫ ПО ВЫБОРУ

СТУДЕНТА, УСТАНАВЛИВАЕМЫЕ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Методы математического моделирования Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Целью изучения дисциплины является:

- Введение студентов в круг понятий, положений и методов теории математического и физического моделирования процессов, явлений, функционирования технических систем.

- Ознакомление студентов с основными этапами процесса математического моделирования объектов различной природы и приобретение практических навыков в составлении и исследовании математических моделей объектов и систем космической техники.

Тема 1. Теоретические основы математического и физического моделирования ( ч.).

Понятие модели и моделирования. Классификация моделей: физические, предметноматематические (непрямой аналогии, прямой аналогии), образные, логико- математические модели. Основные характерные черты математического моделирования и основные этапы решения задач методом математического моделирования. Подобные явления и подобные преобразования. Подобие и физическая однородность явлений. Условия, необходимые и достаточные для подобия. Прямое моделирование и физическая аналогия. Масштабное моделирование.

Тема 2. Условия эксплуатации космической техники (10 ч.).

Газодинамические, вибрационные, акустические, тепловые и квазистатические силовые нагрузки, действующие на КА на участке выведения. Условия космического пространства, оказывающие прямое и косвенное воздействие на состояние конструкции и систем КА (космический вакуум, невесомость, электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца, собственное и отраженное от планет солнечное излучение, практически идеальные поглощательные свойства космического пространства, микрометеорные потоки, собственные выделения аппарата). Возможные траектории спуска КА с орбиты (баллистическая, планирующая, рикошетирующая). Газодинамическая картина обтекания спускаемого аппарата (СА) высокоскоростным потоком. Физико-химические процессы в сжатом слое.

Тема 3. Математическое моделирование условий эксплуатации КА (8 ч.).

Принципы разработки логико-математических моделей в обобщенных переменных.

Математическое моделирование при изучении причинных характеристик процессов и явлений. Метод периодических интегральных преобразований в приложении к анализу периодических процессов теплообмена: Физические предпосылки метода. Основные свойства интегрального преобразования. Преобразование и обращение дифференциальных и интегродифференциальных систем. Ряд Фурье преобразованной функции.

Преобразование типовых функций.

1. Исследование параметров баллистического снижения космического аппарата в условиях земной атмосферы (4 ч.).

2. Определение оптимального режима работы инфракрасного имитатора расчетных внешних тепловых нагрузок на поверхность КА при комплексных или автономных его тепловых испытаниях (4 ч.).

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. Издание 2-ое доп. и перераб. Учебное пособие для ВТУЗов. М.: Высшая школа, 1973. - 296 с.

2. Лебедев А.А. Моделирование в научно-технических исследованиях. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.

3. Морозов К.Е. Математическое моделирование в научном познании. - М.: Наука, 1969.

Математическое моделирование. Под ред. Дж. Эндрюса и Р. Мак-Лоуна. Пер. с английского под ред. Гупало Ю.П. - М.: Мир, 1979, 227 с.

Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 c.

Залетаев В.М., Капинос Ю.В., Сургучев О.В. Расчет теплообмена космического аппарата. М.: Машиностроение, 1979. - 208 c.

Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды./ Козлов Л.В., Нусинов М.Д. и др. Под ред. акад. Г.И.Петрова. – М.; Машиностроение, 1971, с.

Колесников А.В., Сербин В.И. Моделирование условий внешнего теплообмена космических аппаратов. – М., «Информация – XXI век», 1997, -170 c.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Методы вычислительного эксперимента Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Цель изучения дисциплины – ознакомление студентов с основами постановки и проведения вычислительного эксперимента с использованием современных программных комплексов конечно-элементного анализа на примере задач прочности и жесткости элементов конструкций космических летательных аппаратов. В качестве базового программного комплекса используется продукт MSC Nastran for Windows.

В задачи курса входит:

обзор современных программных комплексов конечно-элементного анализа, используемых для осуществления вычислительного эксперимента в области прочности и тепловых режимов космических летательных аппаратов.

Демонстрация приемов работы с программными комплексами численного моделирования на примере MSC Nastran for Windows.

Изучение методик решения задач статического и динамического воздействия на различные элементы конструкции космических летательных аппаратов.

Курс «Методы вычислительного эксперимента» является одной из прикладных дисциплин при подготовке специалистов в области материаловедения, в том числе получения композиционных наноматериалов для космической техники.

Основой усвоения студентами данного курса являются знания, полученные ранее при изучении следующих дисциплин программы бакалавриата:

линейной алгебры и математического анализа;

инженерной и компьютерной графики;

информатики;

технической механики.

Курс основан на современных достижениях численных методов моделирования физических процессов и информационных технологий компьютерного моделирования задач прикладной геометрии и технической физики. Сформулированные цели курса достигаются в процессе чтения лекций и проведения лабораторных работ. Объем аудиторных занятий составляет 34 ч., в том числе лекций – 26 ч., лабораторных работ – 8 ч. в 5 семестре. Чтение лекций осуществляется с обязательной демонстрацией примеров работы с пакетом MSC Nastran for Windows в реальном времени на базе мультимедийного комплекса.

Итоговая аттестация по дисциплине – экзамен.

Тема 1 (2 ч.). Обзор современных пакетов прикладных программ численного моделирования.

Обзор современных коммерческих пакетов прикладных программ численного моделирования физических процессов в конструкциях различного типа. Связь последних с системами твердотельного моделирования. Этапы вычислительного эксперимента с использованием программ конечно-элементного анализа.

Тема 2 (2 ч.). Программный комплекс Nastran for Windows.

Обзор программного комплекса Nastran for Windows. Назначение и основные возможности пакета. Типы решаемых задач. Описание структуры пакета. Типы файлов в Nastran for Windows. Среда моделирования. Интерфейс пользователя. Обзор команд меню пакета.

Тема 3 (2 ч.). Основы геометрического моделирования.

Геометрическое моделирование как первый этап вычислительного эксперимента.

Основы геометрического моделирования с использованием препроцессора Femap. Создание точек. Построение кривых. Использование сплайнов. Создание поверхностей. Расширенные средства геометрического моделирования.

Тема 4 (2 ч.). Основы построения конечно-элементных моделей.

Построение конечно-элементной модели как второй этап вычислительного эксперимента. Задание функциональных зависимостей. Задание свойств конструкционных материалов. Классификация внешних нагрузок. Нагрузки, прикладываемые к геометрическим объектам. Задание внешних нагрузок в Nastran for Windows.

Тема 5 (2 ч.). Граничные условия и уравнения связей.

Понятие о степени свободы конечного элемента. Задание граничных условий.

Граничные условия на геометрических объектах. Использование свойств симметрии модели.

Уравнения связей. Задание связей с помощью препроцессора Femap.

Тема 6 (2 ч.). Моделирование деформированного состояния тонкостенных элементов конструкций летательных аппаратов в Nastran for Windows.

Одномерные задачи механики. Моделирование стержневых систем в Nastran for Windows. Типы стержневых систем. Типы одномерных конечных элементов. Библиотека балочных сечений в Nastran for Windows. Моделирование потери устойчивости стержневыми системами.

Тема 7 (2 ч.). Моделирование деформированного состояния тонкостенных элементов конструкций летательных аппаратов в Nastran for Windows.

Двумерные задачи механики. Построение конечно-элементной сетки на основе двумерной геометрической модели. Улучшение параметров конечно-элементных сеток на поверхностях. Типы двумерных конечных элементов. Многослойный конечный элемент.

Моделирование потери устойчивости оболочками.

Тема 8 (2 ч.) Моделирование теплового воздействия на конструкцию в Nastran for Windows.

Задание термодинамических свойств конструкционных материалов. Задание температурных полей в Nastran for Windows. Моделирование теплового воздействия на элементы конструкции.

Тема 9 (2 ч.). Моделирование трехмерного напряженно-деформированного состояния сплошных сред и элементов конструкций в Nastran for Windows.

Типы конечных элементов, используемых при расчете трехмерных задач теории упругости. Осесимметричные конечные элементы. Построение конечно-элементных сеток в двумерных и трехмерных областях. Визуализация результатов моделирования.

Тема 10 (2 ч.). Моделирование стационарных динамических процессов в Nastran for Windows.

Общая характеристика задач динамики. Задание параметров динамического моделирования. Вычисление собственных частот и форм колебаний. Визуализация результатов моделирования.

Тема 11 (2 ч.). Моделирование нестационарных динамических процессов в Nastran for Windows.

Динамическое приложение нагрузки. Моделирование переходных процессов. Метод разложения по собственным формам колебаний. Вынужденные колебания. Амплитудночастотные характеристики.

Тема 12 (2 ч.). Моделирование больших деформаций в Nastran for Windows.

Моделирование геометрически нелинейных задач механики в Nastran for Windows.

Параметры нелинейного моделирования и их выбор. Моделирование гибких конструкций.

Моделирование закритического состояния при потере устойчивости тонкостенными конструкциями.

Тема 13 (2 ч.). Моделирование геометрически и физически нелинейного деформирования в Nastran for Windows.

Средства моделирования физически нелинейного поведения материалов в Nastran for Windows. Моделирование пластических свойств материалов. Моделирование гиперупругих резиноподобных материалов.

1. Оболочка программного комплекса Nastran for Windows. Задание свойств материалов конструкции, параметров конечно-элементной сетки, свойств конечных элементов.

Моделирование стержневых систем. Фермы, балки, рамы. Температурные напряжения.

Задачи устойчивости (4 ч., темы 2-4, 6).

2. Моделирование подкрепленных тонкостенных конструкций. Температурные напряжения. Решение задач динамики конструкций в Nastran for Windows. Расчет собственных форм и частот колебаний. Расчет переходных процессов. Гармонический анализ. Построение амплитудно-частотных характеристик (4 ч., темы 7, 10, 11).

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC.Visual Nastran for Windows. – М.: ДМК Пресс, 2004. – 704 с.

3.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ

Выполнение лабораторных работ и заданий для расчетно-графической работы проводится на базе компьютерного класса, оснащенного графическими станциями или персональными компьютерами на базе процессора Intel Pentium IV, Intel Core2Duo, AMD Athlon и выше с операционной системой Windows и установленным пакетом прикладных программ MSC Nastran for Windows версии 4.0 и выше с препостпроцессором Femap версии 5 и выше.

Проведение лекций осуществляется на базе аудиторий, оснащенных мультимедийной проекционной системой и графической станцией или персональным компьютером, соответствующим требованиям п. 1.

ОБЩЕПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ КОМПОНЕНТ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Инженерная и компьютерная графика Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Преподавание инженерной и компьютерной графики имеет своей целью обучение студентов правилам оформления чертежей и других конструкторских документов, выработку навыков в разработке и чтении этих документов.

В результате изучения дисциплины студент должен приобрести знания и умения необходимые для выполнения:

построения и чтения изображений предметов (видов, разрезов, сечений);

выполнения эскизов деталей с натуры;

выполнения чертежей деталей различных типов;

чтения сборочных чертежей и спецификаций;

чтения и деталирования чертежей общего вида и других видов конструкторских документов;

схем электрических принципиальных и перечней элементов.

Знания и умения, приобретнные студентами в процессе изучения дисциплины «Инженерная и компьютерная графика», являются базой для успешного обучения по специальным дисциплинам, а также для последующей эффективной инженерной деятельности.

Тема 1. Роль дисциплины «Инженерная графика» в технике. История дисциплины.

Методы проецирования. Понятие комплексного чертежа (2 ч.).

Тема 2. Комплексный чертеж точки. Комплексный чертеж прямой. Взаимное положение прямых. Решение задач на комплексном чертеже (2 ч.).

Тема 3. Комплексный чертеж плоскости. Прямая и точка в плоскости. Решение задач на комплексном чертеже (2 ч.).

Тема 4. Изображение предметов на комплексном чертеже. Безосный чертеж.

Обозначение видов и разрезов. Правила нанесения размеров (2 ч.).

Тема 5. Сечения. Построение сечений различных тел. Оформление сечений на чертежах (2 ч.).

Тема 6. Образование поверхностей и геометрических тел и их задание на комплексном чертеже. Точки и линии на поверхности. Способы преобразования комплексного чертежа.

Решение задач преобразованием комплексного чертежа. Аксонометрические проекции (2 ч.).

Тема 7. Резьбовые соединения. Образование и основные параметры резьбы.

Изображение на чертежах резьб и резьбовых соединений (2 ч.).

Тема 8. Виды изделий и конструкторской документации. Требования и правила выполнения рабочего чертежа детали. Принципы нанесения размеров на механически обработанные и литые детали (2 ч.).

Тема 9. Обозначение шероховатости на чертежах деталей. Обозначение на рабочих чертежах материалов и технических условий. Обзор курса (2 ч.).

1. Ознакомление с основными положениями об изображениях предметов (ГОСТ 2.305-68).

Изучение правил построения видов. Выполнение чертежа детали по теме практического 2. Изучение правил построения разрезов. Выполнение чертежей фигур с применением разрезов (2 ч.).

3. Изучение особенностей построения сечений. Выполнение задания на построение наклонного сечения предмета (2 ч.).

4. Изучения правил нанесения размеров на чертежах (ГОСТ 2.307-68). Нанесение размеров на чертежах (2 ч.).

5. Основные сведения о системах компьютерной геометрии и графики. Вход в систему, интерфейс системы, основные объекты геометрического моделирования, режимы управления выбором объектов, визуализация изображений (2 ч.).

6. Выполнение геометрических построений, основные операции с геометрическими объектами (создание, копирование, обрезка и т.п.) (2 ч.).

7. Выполнение геометрических построений, использование средств компьютерной графики для оформления чертежа по ЕСКД (размеры, штриховка, шероховатость, надписи и т.п.) 8. Пространственное моделирование (формирование пространственной геометрической модели каналовой поверхности из плоских элементов, построение поверхностей по заданному каркасу, работа во многовидовых изображениях) (2 ч.).

9. Построение средствами компьютерной графики принципиальной электрической схемы с использованием геометрической базы данных (типовые элементы схемы определяются в виде моделей и воспроизводятся в нужном количестве) (2 ч.).

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Левицкий B.C., Машиностроительное черчение и автоматизация выполнения чертежей. М.: Высш. шк., 2002.

2. Ермакова В.А., Некрасова О.И., Андреев В.А. и др. Общие правила выполнения чертежей и геометрические построения. Учебное пособие. - М.Изд-во МАИ, 2000.

3. Ермакова В.А., Иванникова Е.Г., Слесарева Т.А. и др. Изображения (виды, разрезы, сечения) предметов. Учебное пособие. - М.Изд-во МАИ, 2003.

4. Андреев В.А., Бодрышев В.В., Бирюков В.И. и др. Соединение винтом. Методические указания. - М.Изд-во МАИ, 2001.

5. Андреев В.А., Бодрышев В.В., Бирюков В.И. и др. Соединение шпилечным комплектом.

Методические указания. - М.Изд-во МАИ, 2000.

6. Андреев В.А., Бодрышев В.В., Бирюков В.И. и др. Соединение болтовым комплектом.

Методические указания. - М.Изд-во МАИ, 2001. Пшеничнова Н.В. Неразъемные соединения. Методические указания. - М.Изд-во МАИ, 2003.

7. Кожухова Е.А., Пшеничнова Н.В. Чертежи литых и штампованных деталей.

Методические указания. - М.Изд-во МАИ, 2003.

8. Кожухова Е.А., Ульянов К.И., Шелухин А.С. Гидравлические и пневматические устройства. Учебное пособие. - М.Изд-во МАИ, 2003.

9. Марков В.И., Пшеничнова Н.В., Хвесюк Т.М., Деталирование. Методические указания. М.: Изд. МАИ. 1987.

10. Кукушкин Л.А, Ивкина О.П. Правила выполнения электрических принципиальных схем радиоэлектронной аппаратуры Л.А.. Методические указания. -М.: Изд. МАИ, 1987.

3.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ

1. Плакаты по темам.

2. Терминальный класс с соответствующим программным обеспечением.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Электротехника и электроника Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Целью дисциплины «Электротехника и электроника» является формирование у обучаемых целостного восприятия задач, решаемых в электротехнической области, а также ознакомление их с техническими аспектами потребления электроэнергии в народном хозяйстве и быту.

В процессе обучения студенту предоставляется возможность ознакомиться с основными электротехническими понятиями, включающими терминологию, основные законы, методы расчета и измерительную аппаратуру.

В результате обучения слушатель научится пользоваться основными теоретическими положениями, применяемыми при расчетах электрических цепей различной конфигурации, технически грамотно оценивать процесс потребления и преобразования электроэнергии различными электротехническими устройствами. Знание принципов действия, а также основных параметров и характеристик элементов электротехнических и электронных узлов позволит обеспечить их правильный выбор и эффективную эксплуатацию.

Для решения поставленных задач обучения курс «Электротехника и электроника»

рассматривает электрические процессы, происходящие в цепях при постоянном и переменном характере источника питания в стационарном и переходном режимах работы. Излагаются методы аналитического описания электрического состояния линейных и нелинейных электрических, а также электромагнитных цепей с целью расчета их параметров, а именно, величин токов, напряжений и потребляемой мощности.

В электрической части курса приводится элементная база и схемные решения блоков для преобразования характера электрического сигнала, в том числе улучшающих качество электроэнергии.

Раздел электрические машины содержит описание конструкции, принципов действия асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока, а также рассмотрение пусковых и регулировочных качеств, паспортных данных и методик расчета механических, скоростных и электромеханических характеристик.

Курс «Электротехника и электроника» включает чтение лекции в объеме 34-х учебных часов и проведение лабораторных работ в объеме 16-ти учебных часов.

Тема 1. Основы диализа и расчета электрических цепей постоянного тока (4 ч.).

1.1. Электрические цепи и их элементы. Общие сведения об электрических цепях, и их классификация. Задачи анализа и расчета линейных электрических цепей. Источники электропитания и простейшие линейные и нелинейные элементы электрических цепей (резистивный, индуктивный, емкостный, диод, транзистор). Математические модели, схемы замещения и вольтамперные характеристики этих элементов. Топология и эквивалентные преобразования в электрических цепях.

1.2.Основные законы и методы расчета линейных электрических цепей (Законы Ома, Кирхгофа, метод контурных токов, метод узлового напряжения, принцип суперпозиции, метод эквивалентного двухполюсника). Энергетические соотношения, режимы работы, батане мощностей.

1.3.Особенности анализа электрических цепей с нелинейными элементами.

Графоаналитический метод расчета нелинейных цепей.

1.4.Мостовые электрические цепи.

1.5. Электрические измерения и приборы.

Тема 2. Основы анализа и расчета электрических цепей переменного тока (6 ч.).

2.1. Способы представления гармонически изменяющихся функций (временные диаграммы, векторные величины и комплексные числа). Действующее значение синусоидальной величины.

2.2.Резистивный, индуктивные и емкостной элементы в цепи синусоидального тока.

2.3. Основные законы и методы расчета электрических цепей синусоидального тока Векторные диаграммы при различных характерах нагрузки. Символический метод расчета.

Понятие о круговых диаграммах. Электрические измерения и приоры.

2.4. Резонансные явления в электрических цепях синусоидального тока (резонанс напряжений и резонанс тока).

2.5. Анализ трехфазных электрических цепей. Схемы соединений фаз генератора и приемника. Роль нейтрального провода. Измерение мощности в трехфазных цепях.

Тема 3. Переходные процессы и электрических цепях (2 ч.).

3.1. Основные понятия и задачи расчета переходных процессов Законы коммутации.

3.2. Классический метол расчета переходных процессов в простейших электрических цепях с индуктивным и емкостным накопителями энергии.

Тема 4. Основы электроники (4 ч.).

4.1. Элементная база современных электронных устройств. Общие сведения и их классификация.

Полупроводники их свойства, электронно-дырочный переход, типы пробоев и классификация р-п-переходов.

Полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Классификация, система обозначений, принцип действия, параметры и характеристики. Области применения.

Интегральные микросхемы, общие сведения, классификация, система обозначений, функциональные свойства и области применения.

4.2. Источники вторичного электропитания. Однофазные и трехфазные нерегулируемые и регулируемые выпрямители. Классификация, принцип действия, расчетные соотношения.

Сглаживающие фильтры и стабилизаторы напряжения Принцип действия, основные расчетные соотношения Тиристорные ключи и использование их в источниках постоянного тока и переменного напряжения.

Тема 5. Магнитные цени с постоянными и переменными магнитодвижущими силами. Однофазный трансформатор (2 ч.).

5.1. Понятие о магнитных цепях. Магнитные материалы. Основные законы магнитных цепей. Задачи анализа и расчета магнитных цепей.

5.2. Особенности магнитных цепей с переменной магнитодвижущей силой 5.3. Назначение и принцип действия, конструктивное исполнение однофазного трансформатора, уравнение трансформации, параметры, мощность потерь и КПД.

Тема 6. Машины постоянного тока (4 ч.).

6.1. Назначение, принцип действия и устройство машин постоянного тока.

6.2. Основные соотношения между электрическими, магнитными и механическими величинами при работе машины постоянного тока в режиме двигателя и генератора.

Эксплуатационные характеристики двигателей с различными способами возбуждения.

6.3. Пусковые и регулировочные свойства двигателей параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

6.4. Тормозные режимы работы машин постоянного тока.

Тема 7. Асинхронные двигатели (4 ч.).

7.1. Принцип действия и конструкция асинхронного двигателя. Вращающее магнитное поле.

7.2. Основные соотношения между электрическими, магнитными и механическими величинами в трехфазном асинхронном двигателе.

7.3. Пусковые и регулировочные свойства трехфазных АД, различные режимы их работы.

7.4. Понятие об асинхронных машинах малой мощности.

Каждый студент выполняет 2 четырех часовые лабораторные работы из нижеприведенного перечня по выбору преподавателя или своему усмотрению.

1. Исследование линейных электрических цепей постоянного тока (4 ч.).

2. Исследование линейных электрических цепей синусоидального тока (4 ч.).

3. Исследование нерегулируемых выпрямителей на полупроводниковых диодах (4 ч.).

4. Исследование пусковых и регулировочных свойств двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением (4 ч.).

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Борисов Ю.М. Липатов Д.Н., Зорин ЮН. Электротехника. М.; Энергоатомиздат,1985.

2. Электротехника и электроника. Кн. I. Электрические и магнитные цепи. / Под ред. В.Г.

Герасимова. - М.: Энергоатомиздат, 1996.

3. Электротехника и электроника. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины/ Под ред. В. Г. Герасимова - М.: Энергоатомиздат.1997.

4. Электротехника и электроника. Кн.З. Электрические измерения и основы электроники/ Под ред. В. Г. Герасимова - М.: Энергоатомиэдат.1998.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Квантовая механика Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Курс «Квантовая механика» относится к числу фундаментальных научных дисциплин необходимых химикам-технологам, специализирующимся в области наноматериалов и нанотехнологий. Базой усвоения дисциплины являются знания, предварительно полученные студентами в курсах общей физики, химии и математики. Целью курса является изучение физики микромира на основе квантовой теории.

При этом студенты получают знания в следующих областях:

алгебре операторного представления физических величин основах матричного представления в квантовой механике квантовой структуре строения многоэлектронных атомных систем;

физических основах образования наноструктур и их свойств;

современных методах квантово- механических вычислений, включая расчеты структурных элементов квантовых компьютеров.

После изучения курса «Квантовая механика» студент должен знать и уметь использовать:

владеть техникой алгебры операторов уметь пользоваться методами алгебры матриц знать методы теории возмущений для нестационарного и стационарного уравнения знать основы квантовой статистики иметь представление о современных проблемах квантовой механики знать и уметь пользоваться основными законами квантовой механики иметь представление о взаимодействии квантовых систем с классическим окружением.

Сущность квантовой концепции в исследовании законов природы.

Тема 2. Операторное представление квантовой механики (4 ч.).

Квантовомеханические постулаты. Собственные функции и собственные значения квантовомеханических операторов. Вырожденные собственные значения. Условия полноты собственных функций квантовомехапнических операторов. Общее решение нестационарного уравнения Шредингера. Волновая функция и ее интерпретация. Теорема Эренфеста.

Собственные функции и собственные значения операторов энергии и импульса и их свойства.

Условия нормировки собственных функций оператора импульса в случаях ограниченного и неограниченного пространства. Представление (разложение) произвольной волновой функции по собственным функциям произвольного квантовомехнического оператора, обладающее свойством полноты и ортонормированности. Собственные функции и собственные значения оператора координаты. Дельта-функция Дирака и ее свойства. Фурье-образ дельты-функции Дирака. Коммутаторы и антикоммутаторы в квантовой механике и их связь с законами сохранения.

Тема 3. Матричное представление квантовой механики (4 ч.).

Матрицы и их свойства. Нулевая, единичная и постоянная матрицы. Шпур, детерминант и обратная матрица. Эрмитовы и унитарные матрицы, их свойства.

Диагонализации матриц с помощью квантовомеханических преобразований. Представление волновых функций в виде унитарных матриц. Координатное представление матрицы энергии.

Свойства интегральных эрмитовых операторов. Уравнения движения в операторной и матричной формах. Классические уравнения Лагранжа и Гамильтона, классические и квантовые скобки Пуассона. Квантование классической системы. Квантовая теория возмущений. Возмущения, не зависящие от времени. Секулярное уравнение. Возмущения, зависящие от времени и их представления в матричной форме. Движение частицы в произвольном электромагнитном поле.

Тема 4. Момент импульсов и его представление в квантовой механике (2 ч.).

Определение момента импульса в операторном виде и его коммутаторы.

Соотношения между матричными элементами компонент момента импульса. Собственные значения и собственные функции оператора момента и его компонент. Матричное представление момента импульса и его проекции.

Тема 5. Тождественные частицы и спин (2 ч.).

Симметричные и антисимметричные волновые функции и их линейные комбинации. Спиновые матрицы и собственные спиновые функции электрона. Принцип тождественности одинаковых частиц. Атом и периодическая система элементов Менделеева.

Тема 6. Спиноры в квантовой механике и их свойства (2 ч.).

Спиноры как линейные преобразования спиновых функций двух и трехэлектронных систем. Вычисление собственных значений операторов квадрата полного спина системы двух и трех электронов и его проекции.

Тема 7. Квантовомеханическое описание состояний атомов легких и тяжелых химических элементов (2 ч.).

Атом водорода. Собственные функции и собственные значения оператора Гамильтона для атома водорода и водородоподобных атомов. Метод самосогласованного поля и его применение к атому гелия. Приближения Хартри-Фока. Вариационный метод. Учет обменного взаимодействия электронов в приближении самосогласованного поля для атома гелия. Схема LS- связей для легких элементов. Схема JJ -связей для тяжелых элементов.

Уравнение Томаса-Ферми. Волновые функции внешних электронов вблизи ядра.

1. Операции преобразований Лоренца, 4х -векторы. Разложение по плоским волнам потенциалов и напряженностей полей. Оператор Лапласа и его Фурье-образ. Оператор Д.Аламбера (2 ч.).

2. Операторы в квантовой механике и их классификация. Дифференциальные, интегральные, функциональные и дифференциально-функциональные операторы, их особенности и свойства (2 ч.).

3. Свойства эрмитовых и унитарных операторов (2 ч.).

4. Коммутаторы и антикоммутаторы в квантовой механике, их связь с законами сохранения (2 ч.).

5. Собственные функции и собственные значения операторов в квантовой механике.

Дельта-функция Дирака и ее свойства. Фурье-образ дельта-функции Дирака (2 ч.).

6. Разложение произвольной волновой функции по собственным функциям квантовомеханических операторов (2 ч.).

7. Представление квантовомеханических операторов в матричном виде. Приведение произвольной матрицы к диагональному виду. Получение собственных значений диагональных элементов исходной матрицы. Матрица-преобразователь и ее обратная 8. Элементы матричной механики. Основные теоремы. Эрмитовы и унитарные матрицы.

Вычисление матриц операторов физических величин (2 ч.).

9. Операторы вектора скорости и ускорения заряженной нерелятивистской частицы в произвольном электромагнитном поле (2 ч.).

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Цирельсон В.Г., Бобров М.Ф. Квантовая химия молекул, Москва, РХТУ им. Менделеева Д.И., 2001, 108 с.

2. Б.В. Егоров, В.М. Кузнецов. Элементы статистической физики атомных и молекулярных систем, РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2000, 52 с.

Академкнига, 2006, 144 с.

1. Шифф Л. Квантовая механика. Москва, ИЛ, 1957, 473 с.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. /Нерелятивистская теория\, Москва, ФИЗМАТГИЗ, 1963, 702 с.

3. Мартыненко Т.П., Одинцова Г.А., Пронина В.С., Соколова Е.Ю. Практический курс физики. Квантовая физика.Элементы физики твердого тела и ядерной физики/ Под ред.

проф. Г.Г. Спирина..- М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковскогою, 2007. –196 с.

4. Демков В.П., Третьякова О.Н. Физика. Геометрическая и волновая оптика. Элементы теории относительности. Квантовая физика. Физика атома. Физика атомного ядра. 5-е изд., перераб М.: Изд-во МАИ, 2006 -216 с.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Краткий курс теоретической физики. Т.2, Квантовая механика, Москва, «Наука», 1972, 368 с.

6. Квантовая механика и статистические методы. ФИАН им. Лебедева П.Н. т. 173, Москва, 1986.

7. Квантовая интерпретация таблицы элементов Менделеева Д.И. Норильский индустриальный институт, Норильск, 1967, с. 23.

8. Шембелов Г.А., Устынюк Ю.А., Мамаев В.М., Квантовомеханические методы расчта молекул. Москва, Химия 1980, с. 255.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

Дисциплины Физика конденсированного состояния Программа составлена профессором Третьяковой О.Н.

Программа одобрена Заведующий кафедрой _.

«_»_200 г.

Декан факультета «_»_200 г.

Цель изучения дисциплины — освоение студентами основ физики конденсированного состояния. Изучение симметрии и структуры кристаллов, основные свойства решения уравнения Шредингера в периодическом потенциале, блоховской волновой функции;

энергетических зон. Основные разделы дисциплины связаны с классификацией кристаллов на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории, исследованием кинетических процессов в электронном газе, скин-эффектов, колебаниями кристаллической решетки. Также предполагается изучение явлений теплового расширения и теплопроводности твердых тел, механизмов поляризуемости кристаллов, оптических свойств ионных кристаллов.

В процессе изучения дисциплины должны быть рассмотрены эффекты сверхтекучести, сверхпроводимости и эффект Мейсснера, а также сверхпроводимость 1 и 11 рода, теория Гинзбурга-Ландау; квантование потока в сверхпроводниках.

После изучения курса «Физика конденсированного состояния» студент должен знать и уметь использовать:

- физику кристаллического состояния, включая тепловые, электрические и магнитные свойства;

- основы теории сверхпроводимости;

- различия в свойствах металлов, полупроводников и диэлектриков;

- иметь представление о современных проблемах физики конденсированного состояния;

- иметь представление о фрактальных структурах в физике твердого тела.

Курс «Физика конденсированного состояния» является фундаментальной научной дисциплиной при подготовке специалистов в области материаловедения, в том числе получения наноматериалов.

Основой усвоения студентами данного курса являются знания, полученные ранее при изучении общей физики, химии и математики.

В своей теоретической части (лекции и семинары), и экспериментальной (лабораторный практикум) курс дает представление о современном уровне достижений физики конденсированного состояния.

Цели курса достигаются в процессе чтения лекций, проведения семинаров и при выполнении лабораторного практикума.

Курс объемом 86 часов (лекции – 38 ч., лабораторные работы – 32 ч., практические занятия – 16 ч., СРС – 50 ч.) читается в 5 и 6 семестрах. В 6 семестре выполняется расчетнографическая работа. Виды аттестации: 5 семестр – теоретический зачет, 6 семестр – экзамен.

Контроль знаний также осуществляется в соответствие с выполнением лабораторных работ, расчетно-графической работы, а также сдачей теоретического зачета и экзамена.

Лекции - 38 ч., лабораторные работы - 32 ч., практические занятия - 16 ч., СРС- 50 ч.

Тема 1 (2 ч., СРС – 2 ч.). Квантовый подход при изучении физики конденсированного состояния. Основы квантовой оптики.

Тепловое излучение: Закон Кирхгофа. Формула Планка. Закон Стефана – Больцмана. Законы смещения и излучения Вина. Квантовые свойства света (фотоны: энергия, импульс, масса фотона). Давление света. Фотоэффект. Эффект Комптона.

Тема 2 (4 ч., СРС – 2 ч.). Основы квантовой механики.

Волны де Бройля Соотношение неопределенностей Волновая функция и уравнение Шредингера Средние значения физических величин. Теория Бора для атома водорода и водородоподобных ионов.

Тема 3 (4 ч., СРС – 2 ч.). Основы квантовой физики атомов.

Теория Бора для атома водорода и водородоподобных ионов. Атом водорода и водородоподобные ионы в сферических координатах. Квантовые числа. Многоэлектронные атомы. Спин электрона. Принцип Паули. Характеристическое рентгеновское излучение.

Тема 4 (2 ч). Фазы и фазовые переходы.

Классификация фазовых переходов. Теория Ландау.

Тема 5 (4 ч., СРС – 2 ч.). Элементы кристаллографии.

Типы симметрии в кристаллических структурах и их распределение по сингониям (индексы Миллера). Анизотропия кристаллических свойств (жидкие кристаллы, полимеры).

Классификация твердых тел по характеру сил связи и типам кристаллических структур.

Несовершенство и дефекты кристаллической решетки, дислокации.

Тема 6 (2 ч.). Элементы статистической физики конденсированного состояния.

Вырожденные и невырожденные коллективы, их связь с классической и квантовой статистикой.

Числа квантовых состояний для микрочастиц. Модель газа свободных и независимых электронов и бозонов. Влияние температуры на распределение Ферми-Дирака. Вырожденные Ферми и Бозе газы. Классические и квантовые жидкости. Сверхтекучесть. Правила статистического усреднения физических величин в классической и квантовых статистиках.

Формула Планка для излучения абсолютно черного тела.

Тема 7 (4 ч., СРС – 2 ч.). Зонная теория твердых тел.

Зоны Бриллюэна. Уравнение Шредингера в периодическом потенциале. Формула Блоха.

Энергетический спектр электронов в кристалле. Энергия и поверхность Ферми. Эффективная масса электронов и дырок в валентной зоне полупроводника. Дисперсионные законы. Металлы, полупроводники, дизлектрики с точки зрения зонной теории.

Тема 8 (2 ч.). Элементарные возбуждения в твердых телах. Динамика кристаллической решетки.

Классификация элементарных возбуждений в кристаллах. Концепция квазичастиц.

Классические и квантовые жидкости. Сверхтекучесть. Время жизни элементарных возбуждений: фононов, плазмонов, экситонов, магнонов и поляронов. Квантовый характер колебаний кристаллической решетки. Импульс и энергия фононов. Квазиимпульс. Неупругое рассеяние фотонов, рентгеновских лучей и нейтронов на фононах.

Тема 9 (4 ч., СРС – 2 ч.). Тепловые свойства конденсированных сред.

Теплоемкость твердого тела. Области низких и высоких температур. Теплоемкость электронного газа. Ангармонические взаимодействия в кристаллах. Теплопроводность твердых тел. Тепловое сопротивление решетки. Процессы переноса. Дефекты решетки и их влияние на теплопроводность. Теплопроводность диэлектриков (решеточная теплопроводность).

Теплопроводность металлов и сплавов в области высоких и низких температур. Процессы переноса.

Тема 10 (4 ч., СРС – 2 ч.). Электрические свойства конденсированных сред.

Равновесное состояние электронного газа в проводнике. Дрейф электронов под действием внешнего электрического поля. Время релаксации и длина свободного пробега электронов.

Электропроводность невырожденного и вырожденного электронного газов. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры. Элетропроводность чистых металлов.

Электропроводность металлических сплавов. Явление сверхпроводимости. Щели энергетического спектра электронов проводимости в сверхпроводнике. Теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКШ-теория). Образование электронных пар Купера. Влияние внешних полей на сверхпроводящее состояние проводника. Теория Гинзбурга-Ландау. Квантование потока в сверхпроводниках. Эффект Джозефсона.

Тема 11 (4 ч., СРС – 2 ч.). Магнитные свойства конденсированных сред.

Магнитное поле в магнетиках. Магнитные свойства атомов. Орбитальный, спиновой и результирующий магнитные моменты атомов, их квантование. Классификация магнитных материалов. Диамагнетизм, индуцированный магнитный момент атома. Магнитная восприимчивость диэлектриков. Квантовая природа парамагнетизма. Парамагнетизм электронного газа. Квантовая природа ферромагнетизма, спиновые волны. Обменное взаимодействие и ферромагнетизм. Доменная структура ферромагнитных тел. Антиферромагнетизм и ферриты. Эффект де Гааза-ван Альфена.

Тема 12 (2 ч.). Тенденции развития и проблемы физики конденсированного состояния.

Занятие1 (2 час., СРС - 1 час., Тема 1). Основы квантовой оптики.

Занятие 2 (2 час., СРС - 1 час., Тема 2).Основы квантовой механики.

Занятие 3 (2 час., СРС - 1 час., Тема 2).Основы квантовой механики.

Занятие 4 (2 час., СРС - 1 час., Тема 3). Основы квантовой физики атомов.

Занятие 5 (2 ч., СРС - 1 ч., Темы 5, 6). Элементы кристаллографии. Основы квантовой статистики. Распределение Ферми-Дирака для электронов в конденсированной среде.

Распределение Бозе-Эйнштейна для фотонов теплового излучения.

Занятие 6 (2 ч., СРС - 1 ч., Тема 7).Основы зонной теории. Строение металла, диэлектрика и полупроводника. Чистые и примесные полупроводники. Понятие эффективной массы электронов и дырок.

Занятие 7 (2 час., СРС- 1 час., Темы 8,9). Тепловые свойства кристаллов. Фононные спектры в макросистемах и наноматериалах.

Занятие 8 (2 час., СРС- 1 час., Тема 10,11). Электрические и магнитные свойства кристаллических систем. Параметры, характеризующие процессы переноса зарядов в твердых телах под влиянием внешнего электрического поля.

1. Лабораторная работа №1 (2 ч., СРС – 1 ч., тема 1). Исследование энергетической светимости абсолютно черного тела.

2. Лабораторная работа №2 (2 ч., СРС – 2 ч., тема 1). Изучение внешнего фотоэффекта.

3. Лабораторная работа № 3 (4 ч., СРС – 2 ч., тема 3). Спектральный анализ сплавов.

4. Лабораторная работа №4 (2 ч., СРС – 1 ч., тема 2). Определение постоянной Планка.

5. Лабораторная работа №5 (2 ч, СРС – 2 ч., тема 1). Исследование внутреннего фотоэффекта.

6. Лабораторная работа №6 (2 ч., СРС – 1 ч., тема 7). Исследование полупроводникового диода.

7. Лабораторная работа №7 (2 ч., СРС –1 ч., тема 7). Исследование кристаллического триода, включенного по схеме с общей базой.

8. Лабораторная работа №8(4 ч., СРС – 1 ч., тема 8). Исследование кристаллического триода, включенного по схеме с общим эмиттером.

9. Лабораторная работа №9 (4 ч., СРС – 1 ч., тема 8). Исследование электропроводности полупроводников.

10..Лабораторная работа №10 (4 ч., СРС – 2 ч., тема 8). Исследование вентильного фотоэффекта.

11. Лабораторная работа №11 (4 ч., СРС – 2 ч., тема 8). Применение эффекта Холла.

Расчетно-графическая работа состоит из 20 задач на следующие разделы физики конденсированного состояния:

1. Квантовая физика.

2. Физика твердого тела.

Раздел 3. Учебно-методические материалы по дисциплине 1. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Теоретическая физика т.9. Статистическая физика ч.2.

Теория конденсированного состояния, т.9. -М.: Наука, 2000.

2. Зеегер К. Физика полупроводников.- М.:Мир,1977.

3. Майер Дж.., Гипперт-Майер М. Статистическая механика. - М.: Мир, 1980.

4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. Москва, «Наука», 1979. 2001.

5. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике: Учебн.пособ. для вузов.- М.:

Энегроатомиздат, 1984.

6. Саркисов П.Д., Байков Ю.А., Мешалкин В.П. Математическое моделирование кристаллизации одно и двухкомпонентных металлических расплавов. -М.: Физматлит, 7. Физика твердого тела. Учебное пособие для технических университетов/ Под ред.И.К.Верещагина.-. М.: Издательский дом МФО, 1998.

8. Анисимов В.М., Солохина Г.Э. Лабораторные работы по физике: часть 2. Электричество.

Оптика. Атомная физика. Физика твердого тела/ под. ред. Г.Г. Спирина. – М.: Изд-во МАИ, 2003.

9. Анисимов В.М., Лаушкина Л.А., Третьякова О.Н Физика в задачах/под ред.

О.Н.Третьяковой - М.: Вузовская книга, 2002.

10. Анисимов В.М., Третьякова О.Н. Практический курс физики. Основы квантовой физики/ под ред. Г.Г. Спирина.- М.: Изд-во МАИ,2007.

11. Бондарев Б.В., Спирин Г.Г. Курс общей физики. - М.:Высш.шк.,2005.

12. Мартыненко Т.П., Одинцова Г.А., Пронина В.С., Соколова Е.Ю. Практический курс физики. Квантовая физика. Элементы физики твердого тела и ядерной физики/ под ред. Г.Г.

Спирина..- М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковскогою, 2008.

13. Тарасов В.Е. Квантовая механика: Лекции по основам теории: Учеб. пособие - М.:

Вузовская книга,2000.

- Компьютерные классы (Pentium IV);

- Обменная сеть «Ассоциации кафедр физики технических вузов России»;

- Учебный сайт кафедры физики МАИ для системы дистанционного обучения kaf801.ru.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

Дисциплины Нанохимия и наноматериалы Программа составлена профессором Фармаковской А.А.

Программа одобрена Заведующий кафедрой _.

«_»_200 г.

Декан факультета «_»_200 г.

Для современной космической техники актуальнейшей задачей является радикальное улучшение массогабаритных характеристик космических аппаратов, продление срока их пребывания на тех или иных орбитах, решение проблемы энергообеспечения функционирования этих аппаратов, а также создание материалов, устойчивых к ионизирующей радиации. Последнее возможно при применении достижений нанохимии, науки, призванной изучать и получать конструкционные наноматериалы, превосходящие традиционные по прочности, легкости, термической и радиационной стойкости.

Цель изучения дисциплины – сформировать у студентов комплекс фундаментальных представлений, составляющих основу одной из наиболее востребованных в настоящее время области знаний – нанохимии, лежащей в основе различных нанотехнологий.

Задачи дисциплины:

- дать студентам комплекс основных понятий и принципов нанохимии:

- показать причины, обусловливающие изменение многих физических и химических свойств вещества в нанометровом диапазоне:

- показать междисциплинарный характер нанохимии и ее прикладной ветви – нанотехнологии;

- возбудить интерес студентов к синтезу знаний, полученных в курсах общей, неорганической, физической и аналитической химии, применительно к одному из основных курсов специализации.

После изучения курса «Нанохимия и наноматериалы» студент должен:

- приобрести фундаментальные знания о специфике поведения вещества в нанометровом размерном диапазоне; понять механизм возникновения размерных физических и химических эффектов;

- знать основные виды нанообъектов и наноматериалов, уметь прогнозировать их устойчивость и физико-химические свойства;

иметь представления о приборах и устройствах, разрабатываемых на основе наноматериалов;

- понимать основные научно-технические проблемы нанохимии и нанотехнологии;

- иметь представление о способах получения новых функциональных наноматериалов, их структуре, свойствах, устройствах на их основе и перспективах развития данной фундаментальной области знаний.

Основой для изучения данной дисциплины являются курсы «Неорганическая химия», «Органическая химия», «Аналитическая химия», «Физическая химия», «Основы химической технологии», «Физика», спецкурсы «Физика конденсированного состояния».

Курс «Нанохимия и наноматериалы» является фундаментальной научной дисциплиной при подготовке специалистов в области материаловедения, в том числе получения функциональных наноматериалов.

В своей теоретической части (лекции и семинары) и экспериментальной (лабораторный практикум) курс дает представление о современном уровне достижений в области нанохимии и нанотехнологий.

Цель курса достигается в процессе чтения лекций, проведения семинаров и при выполнении лабораторного практикума.

Курс объмом 140 часов (лекции – 48 ч., лабораторные работы – 24 ч.. практические занятия – 18 ч., СРС – 50 ч.) читается в 6 семестре. Вид аттестации – экзамен.

Контроль знаний также осуществляется в соответствии с рейтинговой системой, с выполнением лабораторных работ и сдачей экзамена.

Лекции – 48 ч., лабораторные работы – 24 ч., практические занятия – 18 ч., СРС – 50 ч.

Тема 1. (2 ч., СРС –1 ч.). Введение в нанохимию.

Базовые термины и понятия. Определение понятий: наночастица, наноструктура.

нанонаука, нанохимия, нанотехнология, Положение нанообъектов на шкале размеров.

Наноматериалы. Критерии определения наноматериалов: критический размер и функциональные свойства. Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции.

Почему освоение наномира может быть так полезно для человечества? Эрик Дрекслер и его книга «Машины созидания». Нанороботы. Нанотехнологии внутри и снаружи нас. Нанохимия и нанотехнологии – область знаний, где объединяются усилия физиков, химиков, биологов, врачей, инженеров – электронщиков, математиков и специалистов самых разных специальностей для очередного прорыва на пути человечества к прогрессу.

Тема 2. (2ч., СРС – 1 ч.). Квантовые представления в нанохимии.

Корпускулярно-волновой дуализм нанобъектов. Квантовые пределы точности измерений. Вероятностный характер поведения квантовых объектов. Квантовые размерные эффекты. Квантовые точки, проволоки и плоскости. Квантовая механика и компьютер.

Сверхпроводимость и сверхтекучесть. Виды химической связи в нанообъектах.

Тема 3. (10 ч., СРС - 10 ч.). Дисперсные системы.

Основные положения коллоидной химии – химии дисперсных систем. Правило фаз Гиббса для дисперсных систем. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем.

Уравнение Эйнштейна для диффузии. Поверхностное натяжение. Термодинамические параметры поверхностного слоя. Экспериментальные методы определения поверхностного натяжения. Внутренняя полная поверхностная энергия. Температурная зависимость и полной внутренней поверхностной энергии. Механизм процессов самопроизвольного уменьшения.

Принцип Гиббса-Кюри. Внутреннее давление. Уравнение Лапласа. Уравнение капиллярной конденсации. Термодинамика образования новой фазы. Кинетика образования новой фазы в системе ж-т. Управление степенью дисперсности. Двойной электрический слой (ДЭС).

Механизм образования и строение ДЭС. Строение мицеллы Термодинамика образования ДЭС.

Уравнение Габриэль-Липмана. Уравнение электрокапиллярной кривой. Адсорбция.

Зависимость от параметров системы. Типы адсорбции (физическая, хемосорбция, ионный обмен).Фундаментальные адсорбционное уравнение Гиббса. Адсорбция на границе ж-г.

Уравнение Шишковского. Закон Генри. Изотерма адсорбции Ленгмюра. Многокомпонентная адсорбция из газовой фазы. Капиллярные явления. Формула Жюрена. Адсорбция на пористых телах. Адсорбция на микропористых телах. Селективная адсорбция из растворов.

Электрокинетические явления. Электроосмос. Электрофорез. Адгезия. Механизм процессов адгезии. Смачивание. Краевой угол. Связь работы адгезии с краевым углом. Флотация.

Рассеяние света ультрамикрогетерогенными частицами.

Тема 4. (2 ч., СРС – 2 ч.). Коллоидно-химические аспекты нанохимии.

Сопоставление свойств ультрадисперсных коллоидных систем (УДС) и наносистем.

Приложение теоретических положений коллоидной химии к наносистемам. Масштабные эффекты, играющие важную роль в коллоидной химии и физико-химической механике.

Возможности экстраполяции закономерностей коллоидной химии на область наноразмеров.

Влияние размерного фактора на свойства наночастиц: Тпл, параметры кристаллической рештки, тепломкость. Влияние дисперсности на реакционную способность веществ. Влияние дисперсности на растворимость вещества. Влияние дисперсности реагентов на равновесие химической реакции. Термодинамика необратимых процессов в свете эволюции коллоидных систем с образованием организованных структур (мицеллы поверхностно-активных веществ, кольца Лизеганга и др.).

Тема 5. (4ч., СРС -2 ч.). Объекты нанохимии – наночастицы и наноматериалы.

Классификация наночастиц. Частицы из атомов инертных газов. Металлические наночастицы. Фуллерены и нанотрубки. Алмазоиды. Уникальные свойства некоторых наночастиц (серебро, оксид цинка ZnO, серпентин, диоксид кремния SiO2). Фрактальные кластеры. Молекулярные кластеры. Типы наноматериалов. Особенности строения и свойств.

Нановолокна (усы) и поликристаллы (волокна), углеродные нанотрубки (НТ), нанопроволоки, нанокабели. Нанопленки. Объемные наноструктуры.

Тема 6. (2ч., СРС – 1 ч.). Химические свойства наноматериалов Размерные эффекты в химических процессах. Процессы окисления в наносредах.

Самовозгорание и пирофорность наносред. Расчетные и экспериментальные температуры саморазогрева нанопорошков металлов. Катализ с участием наноматериалов.

Тема 7. (4ч. СРС – 1 ч.). Физические свойства нанообъектов. Наноматериалы и микроэлектроника.

Основные физические свойства наноматериалов.Влияние размерного фактора на свойства веществ. Параметры и икристаллической решетки.Теплоемкость. Температура Дебая.Нановолокна. Нанопленки.Объемные наноструктуры. Наноэлектроника. Основные физические свойства наноматериалов. Влияние размерного фактора на свойства веществ.

Параметры и икристаллической решетки. Теплоемкость. Температура Дебая..Нановолокна.

Нанопленки. Объемные наноструктуры.

Полупроводниковые наноматериалы. Магнитные наноматериалы. Появление и развитие полупроводниковой электроники. Транзисторы. Интегральные микросхемы (ИТ). Литография.

Электропроводящие полимеры. Сенсоры. Микро- и наноэлектромеханические системы (МЕМS и NEMS) и проекты на их основе.

Тема 8. (10 ч., СРС - 8 ч.). Способы получения наночастиц и наноматериалов.

История развития методов синтеза наноматериалов. Два основных технологических подхода: диспергационный («сверху–вниз»), конденсационный («снизу–вверх»). Методы синтеза нанопорошков: физические методы (метод электровзрыва, механическое и ультразвуковое диспергирование), Получение углеродных частиц – фуллеренов и нанотрубок.

Метод химического осаждения из пара. Особые свойства некоторых наночастиц: серебро, оксид цинка, Диоксид кремния, серпентин.

Методы получения наночастиц металлов. Метод химического восстановления. Получение нанчастиц в мицеллах,эмульсиях, дендримерах. Принцип синтеза нанчастиу по принципу «ядро в оболочке». Криохимический синтез. Золь-гельметод Получение наночастиц в газовой фазе. Осаждение наночастиц в газовой фазе получения нанопорошков в процессе «испарение – конденсация газофазного синтеза металлических нанопорошков Газофазные химические реакции Топохимическое взаимодействие газовой фазы с порошком Сверхзвуковое истечение газов из сопла Термическое разложение и восстановление.

Осаждение в растворах и расплавах. Способы осаждения твердой фазы. Осаждение в растворах.

Основные фазаы в технологии получения нанопорошков осаждением в водных и неводных растворах.

Осаждение в расплавах. Осаждение при сверхкритических условиях. паротермальный синтез. Зольгель метод. Электрохимический метод получения наночастиц. Получение наночастиц с использованием плазмы. Электроэрозионный метод. Ударно-волновой или детонационный синтез.

Механохимический синтез. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)..

Биохимические методы получения наноматериалов. Микробиологическая гидрометаллургия...

Криохимическая технология получения наноматериалов. Растворы, применяемые в криохимической технологии. Диспергирование растворов. Электрохимический метод получения наночастиц. Различные типы криореакторов.

Тема 10. (4 ч., СРС – 4 ч. ). Методы исследования наноразмерных объектов История развития микроскопии. Оптический микроскоп. Разрешающая способность микроскопов. Электронный микроскоп. Растровый электронный микроскоп. Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп.

Типы кантилеверов. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля. Наноиндентор.

Сканирующие зондовые лаборатории. Сканирующий туннельный микроскоп «УМКА».

Нановесы Спектроскопия.Определение степени дисперсности наноматериалов. Средний размер частиц. Распределение частиц по размерам, удельная поверхность наноматериалов. Газоадсорбционные методы измерения удельной поверхности и размера частиц. Микроскопические методы определения среднего размера частиц. Световые микроскопы. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), растровые электронные микроскопы (РЭМ). Зондовая микроскопия. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и сканирующий атомно-силовой микроскоп. Рентгеновская дифрактометрия для исследованиия распределения наночастиц по размерам. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения. Зондовая сканирующая микроскопия (сканирующая туннельная, атомно-силовая, ближнепольная оптическая). Принцип работы зондовых микроскопов. Дополнительные возможности зондовой микроскопии: атомные манипуляции и литография. Методы исследования при аттестации наноматериалов. Определение дисперсности наноматериалов. Измерение удельной поверхности. Измерение среднего размера частиц. Определение размеров частиц с помощью микроскопов. Методы дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Исследование распределения частиц по размерам.. Методы определения элементного состава дисперсных сред.. Химические методы: гравиметрический и титриметрический. Физические методы.

Спектральные методы. Методы анализа фазового состава.

Тема 10. (2 ч, СРС – 1 ч.). Использование наноматериалов в практической деятельности.

Применение наноматериалов в промышленности. Конструкционные материалы с повышенными механическими свойствами. Высокопрочные резьбовые изделия и легкие изделия сложной формы из титана. Конструкционные и жаростойкие материалы из наноструктурных легированных нитридных керамик для изготовления двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, режущих пластин. Огнеупорная керамика из наноматериалов для металлургического производства. Наноалмазы и нанопорошки как многофункциональные присадки в абразивные суспензии и пасты для притирочно-доводочных работ и процессов электромагнитной абразивной обработки металлов. Сухие смазочные материалы, твердосмазочные покрытия, карандаши твердой смазки, штамповочные смазки. Присадки нанопорошков в смазочно-охлаждающих технологических жидкостях для обработки металлов резанием. Интенсификация процесса спекания промышленных порошков путем добавления в качестве активаторов спекания нанопорошков алюминия, никеля, железа. Нанопорошки как компоненты в гидродинамическиех пластификаторах, компоненты припоев, промежуточных слоев в различных вариантах технологий сварки. Использование нанопорошков металлов наноразмерного алмаза в композиционных материалах, содержащих пластмассы (резину, керамику) для улучшения их характеристик:

повышение износостойкости, снижение коэффициента трения, увеличение предельных нагрузок. Использование наноматериалов для создания защитных, декоративных и износостойких композиционных покрытий. Нанодисперсный порошок -Fe2O3 - материал для магнитной записи, нанопорошок ZnO – материал для изготовлении электроконтактов для низковольтной аппаратуры.

Наноэнергетика. Применение наноматериалов в водородной энергетике. Топливные элементы и устройства для хранения энергии. Нанопорошок ZrO2, стабилизированный иттрием – для снижения температуры синтеза керамики на 100-200 °С, что значительно уменьшает энергозатраты при производстве топливных элементов. Применение нанотехнологий и наноматериалов в биологии и медицине. Подходы к получению искусственных наноструктур на основе биомолекул (использование ДНК в качестве темпланта для синтеза). Создание биосовместимых поверхностей контакта, имплантатов и искусственных органов. Разработка и анализ лекарственных препаратов. Доставка лекарственных препаратов и генов внутрь клеток.

Использование нанотехнологий и наноматериалов для улучшения хирургического и стоматологического инструментария.

Применение нанопорошков металлов в сельском хозяйстве: растениеводстве, животноводстве, зоотехнике, рыболовстве, фармацевтической, парфюмерной, косметической и пищевой промышленности.

Тема 11. (2 ч., СРС – 1 ч. ). Наноматериалы и охрана окружающей среды Использование наноматериалов для защиты окружающей среды. Наноматериалы в каталитических процессах Переработка промышленных отходов. Средства защиты. Свето- и теплопоглощающие материалы, поглотители электромагнитного излучения, средства радиационной и биологической безопасности. Экологические проблемы при производстве и применении наноматериалов. Замена производств, связанных с большим объемом отходов, на так называемые «зеленые» технологии. Рационализация производственных процессов для снижения расходов материалов и энергии. Необходимость более глубокого изучения и регулирования природных явлений и процессов загрязнения окружающей среды с помощью нанодатчиков и наноэлектронных устройств.

Тема 12. (2 ч., СРС -1 ч.). Способы защиты наноматериалов от внешних воздействий.

Защита наноматериалов с помощью инертных сред. Способы пассивации наноматериалов.

Оксидирование поверхности, использование оксида углерода, отжиг в чистом водороде.

Использование водорастворимых полимеров для защитных покрытий. Микрокапсулирование.

Механохимическая пассивация наноматериалов. Некоторые аспекты транспортировки наноматериалов. Классификация наноматериалов как опасных грузов (вещества, образующие взрывоопасные смеси; легковоспламеняющиеся твердые вещества; самовозгорающиеся вещества; вещества, вещества, выделяющие воспламеняющиеся газы при взаимодействии с водой. Малоопасные вещества.

Тема 13. (2 ч., СРС -1 ч.). Перспективы развития нанохимии и нанотехнологии.

Основные задачи нанохимии будущего - синтез и стабилизация наноструктур и использование их для создания новых функциональных конструкционных нанокомпозитов для космической техники, обладающих прочностью традиционных материалов, но значительно меньшим удельным весом. Создание композитов с повышенными функциональными характеристиками, например, химической энергетикой, тепло- и электропроводностью, заданными оптическими свойствами Создание новых сорбентов, мембран, коррозионностойких покрытий и материалов, катализаторов для очистки отходов, защиты от излучения.

Социальные последствия разработки и внедрения нанотехнологий. Нанотехнологии и общество. Социальные последствия разработки и внедрения нанотехнологий. Нанотехнологии и общество. Концепция устойчивого развития мирового сообщества и роль России в контексте устойчивого развития.

Занятие 1. (2 ч., СРС -1 ч., Тема 1). Введение в нанохимию.Базовые термины и понятия Занятие 2. (2 ч., СРС -1 ч., Тема 2). Квантовые представления в нанохимии.

Занятие 3. (2 ч., СРС -2 ч., Тема 3). Дисперсные системы и поверхностные явления.

Занятие 4. (2 ч., СРС -1 ч., Тема 4). Коллоидно-химические аспекты нанохимии...

Занятие 5. (2 ч., СРС -1 ч., Темы 5,6,7). Наночастицы и наноматериалы. Физические и химические свойства нанообъектов Физические и химические способы получения наночастиц..

Занятие 6. (2 ч., СРС -1 ч., Тема 8). Способы получения наноматериалов. Физико-химические процессы, используемые в технологиях получения нанообъектов Занятие 7. (2 ч., СРС -1 ч., Тема 9). Инструменты и методы исследования нанообъектов.

Занятие 8. (2 ч., СРС -1 ч., Темы 10, 11). Использование наноматериалов в практической деятельности. Экологические проблемы при производстве и применении наноматериалов Занятие 9. (2 ч., СРС -1 ч., Тема 13). Перспективы развития нанохимии и нанотехнологии.

1. Лабораторная работа № 1 (4 ч., СРС – 1 ч, темы 3, 8 ). Получение металлических золей распылением металлов в искровом разряде по методу Сведберга.

2. Лабораторная работа № 2 (4 ч., СРС – 1 ч, темы 3, 8). Получение ультрадисперсного гидрозоля серебра методом Бредига.

3. Лабораторная работа № 3 (4 ч., СРС – 1 ч., темы 3, 8, 9 ). Изготовление коллодиевых мембран.

4. Лабораторная работа № 4 (4 ч., СРС – 1 ч., темы 3, 8). Ультрафильтрация микрогетерогенных систем.

5. Лабораторная работа № 5 (4 ч, СРС – 1 ч., темы 3, 7). ). Влияние степени дисперсности частиц оксида магния на толщину и качество изоляционного покрытия, получаемого методом электрофореза.

6. Лабораторная работа № 6 (4ч.,СРС–1ч., тема 8). Применение электрогидравлического эффекта (ЭГЭ) для получения нанослоев функциональных защитных покрытий на металлах.

7. Лабораторная работа № 7 (4 ч., СРС – 2 ч., темы 8,9 ). Синтез ультрадисперсных порошков простых оксидов металлов.

8.Лабораторная работа № 8 (4 ч., СРС – 2ч., темы 3,4) Применение конуса Фарадея – Тиндаля для классификации дисперсных систем..

9. Лабораторная работа № 9 (4 ч., СРС – 2ч., темы 3,4). Определение размеров частиц с помощью нефелометра.

Из приведнного списка студенты выполняют 6 работ по выбору преподавателя.

Раздел 3. Учебно-методические материалы по дисциплине 1. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: Изд-во МГУ. 2007. 288 с.

2. Рыжонков Д.И., Лвина В.В., Дзидзигура О.Л. Наноматериалы. М.: Бином, 2008.

3. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологиию М.: Бином, 2008.

4. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридичин В.А. Основы наноэлектроники. М.: Физматкнига, 5. Хартман У. Очарование нанотехнологии. М.: Бином, 20008.

6. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера. 2005.

7. Гусев А.И. Нанометриалы, наноструктуры, нанотехнологии. М: ФИЗМТЛИТ. 2005. 416 с.

8. Суздалев И.П. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.:

КомКнига. 2006. 592 с.

9. Бокштейн Б.С., Ярославцев А.Б. Диффузия атомов и ионов в твердых телах. М.:

МИСИС. 2005. 362 с.

10. Смирнов В.М. Химия наноструктур. Синтез, строение, свойства: Учебное пособие. СПб:

Изд-во СПб ун-та. 1996. 108 с.

11. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология. М.: ИРЦ. Академ книга. 1. Третьяков Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех. М.: МГУ, 20008,368с 2. Русанов А.И. Термодинамические основы механохимии. – СПб.: Наука, 2006.– 221с Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. – М.: Издательский центр «Академеия», 2005. – 192 с.

Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований./ Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса. Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 292 с.

Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network– 2005.– 444 с.

«Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией Ю. Третьякова, М., Физматлит, 2007.

Кобаяси Н., Введение в Нанотехнологию, изд-во Бином, 2005.

Пул Ч., Оуэнс Ф. «Нанотехнологии», М., Техносфера, 2006.

Ратнер М., Ратнер Д. «Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи», Изд-во «Вильямс», 2005.

10. Харрис П. «Углеродные нанотрубки и родственные структуры», М., Техносфера, 2003.

- Стандартное оборудование физико-химических лабораторий - Компьютерные классы (Pentium IV).

- мультимедийный проектор для демонстраций слайдов и видеофильмов;

-лазерный анализатор размеров частиц

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Безопасность жизнедеятельности Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Безопасность жизнедеятельности - наука об обеспечении комфортного состояния и сохранении здоровья и безопасности человека при взаимодействии со средой обитания.

Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности» занимает важное место в подготовке современного специалиста и затрагивает все аспекты существования человека в биосфере.

Целью дисциплины «Безопасность жизнедеятельности» является подготовка специалистов, которые, обладая полученными теоретическими знаниями и практическими навыками, смогут самостоятельно, во-первых, формировать безопасные и безвредные условия труда на рабочих местах, позволяющие повысить производительность и качество труда, уменьшить травматизм и профессиональную заболеваемость, а также снизить ущерб от аварий и катастроф, стихийных бедствий и других чрезвычайных ситуаций, и, во-вторых, разрабатывать и внедрять современные экологически обоснованные технологии, снижающие вредную антропогенную нагрузку на среду обитания.

Задачами дисциплины является изучение и усвоение:

объективных закономерностей и источников возникновения факторов, неблагоприятно влияющих на человека и среду;

принципов нормирования неблагоприятных факторов (НФ) и определения на основе оценки реакций человека и среды их допустимых величин;

принципов, методов и средств обеспечения безвредных и безопасных условий жизнедеятельности и сохранения природной среды, позволяющих снизить уровень воздействия НФ до допустимых величин;

методов управления обеспечением безопасности жизнедеятельности на предприятиях, принципов организации работы по обеспечению безопасности людей на производстве, а также методов прогнозирования и предупреждения возникновения чрезвычайных правовых и организационных основ безопасности жизнедеятельности.

Изучение курса «Безопасность жизнедеятельности» базируется на знаниях, полученных студентами при изучении общеинженерных, специальных и социально-экономических дисциплин.

Тема 1. Состояние и пути решения проблемы обеспечения безопасности жизнедеятельности (4 ч.).

Опасности, связанные с жизнедеятельностью и их социально-экономические последствия. Аксиома о потенциальной опасности деятельности, первичность и вторичность потенциальных опасностей и средств защиты, практические следствия аксиомы.

Объективная закономерность роста числа несчастных случаев (НС), причины этого явления. Понятие о гомосфере и ноксосфере. Необходимые условия реализации неблагоприятной ситуации, возможные варианты последствия неблагоприятной ситуации, их зависимость от временного и пространственного взаимодействия ноксо- и гомосферы.

Классификация опасностей. Риск как критериальная оценка опасности. Виды риска, классификация и количественная оценка риска, концепция приемлемого риска. Риск профессиональной деятельности.

Конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро (1992г.), межгосударственные принципы обеспечения БЖД. Мировая практика решения проблемы обеспечения безопасности жизнедеятельности.

Классификация общенаучных принципов обеспечения безопасности. Значение принципов безопасности для профилактики производственного травматизма и заболеваемости.

Методы обеспечения безопасности жизнедеятельности. Реализация методов в технологических процессах при производстве аэрокосмической техники. Общие понятия о средствах коллективной и индивидуальной защиты. Классификация средств защиты.

Требования к средствам защиты.

Применение методов и средств обеспечения безопасности жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях мирного и военного времени.

Тема 2. Среда обитания человека (4 ч.).

Характеристики среды обитания. Окружающая среда как большая система. Внешние и внутренние взаимосвязи атмосферы, гидросферы и литосферы - основа образования большой системы «окружающая среда» - БСОС. Понятие биосферы, пределы биосферы по Вернадскому, «поле существования жизни».

Законы экологии, энергетический и материальный обмен в биосфере, основные типы биогеохимических круговоротов. Негативное влияние деятельности человека на биосферу и круговороты. Понятие лимитирующих элементов, воздействие на них антропогенных факторов, принцип минимума Либиха.

Масштабы промышленного потребления природных ресурсов. Потребление ресурсов атмосферы, гидросферы и литосферы. Федеральный закон «Об охране окружающей природной среды».

Преобразование биосферы и основные причины, приводящие к ее разрушению. Рост народонаселения, объективные факторы роста, мировая статистика, негативные последствия и экспертные прогнозы.

Урбанизация и ее последствия, причины урбанизации, динамика развития мегаполисов, негативные последствия.

Последствия научно-технического прогресса. Негативные факторы развития промышленного производства и энергетики. Техногенные источники загрязнения биосферы.

Воздействие сельскохозяйственного производства на среду обитания, факторы и последствия воздействия.

Экологический кризис, факторы опасности, приводящие к экологическому кризису.

Понятия экологического кризиса, обратимость и позитивные последствия кризиса. Кризисы и развитие человечества. Глобальные последствия экологического кризиса, парниковый эффект и разрушение озонового слоя.

Механизм парникового эффекта, свойства парниковых газов. Последствия парникового эффекта в настоящее время и в будущем. Мероприятия по ограничению парникового эффекта, Киотский протокол, квотирование выбросов парниковых газов.

Эволюция проблемы разрушения озонового слоя. Причины, источники и механизм разрушения. Мероприятия по ограничению разрушения озонового слоя, Монреальский протокол.

Тема 3. Факторы среды обитания и функциональное состояние организма (4 ч.).

Труд и его потенциальные опасности. Классификация неблагоприятных факторов, опасные ОФ и вредные факторы ВФ, возможность воздействия опасных и вредных производственных факторов или поражающих факторов чрезвычайных ситуаций. Условие неблагоприятного воздействия фактора.

Производственная среда и ее компоненты. Взаимодействие человека с окружающей средой. Основные формы деятельности человека. Умственный и физический труд.

Напряженность и тяжесть труда. Санитарно-гигиенические факторы среды и трудового процесса, их классификация.

Физические факторы среды, возникающие в энергетических процессах и характеризующие состояния воздушной среды.

Химические факторы, их виды и специфические особенности.

Факторы тяжести и напряженности труда.

Регламентирование вредных факторов, содержание нормирования. Принципы нормирования. Обоснование времени проявления воздействия факторов, период хронического и разового воздействия. Определение гигиенических нормативов.

Пороговость действия факторов и приемлемый уровень воздействия на человека и объекты биосферы, дифференцирование нормирования по объектам, условие выбора общего показателя.

Трудовой процесс и его элементы. Понятие «условия труда». Классификация условий труда. Понятие и характеристика рациональных условий жизнедеятельности. Основные критерии оценки оптимальности условий жизнедеятельности.

Функциональное состояние организма, его виды и зависимость от параметров среды и условий жизнедеятельности, взаимосвязь функционального состояния организма и условий труда. Общебиологический закон Вебера-Фехнера как основа обеспечения необходимого функционального состояния организма и для нормирования вредных факторов среды.

Энергетические затраты человека при различных видах деятельности. Уровень основного обмена.

Нормирование содержания вредных веществ, характеристика содержания и единицы измерения. Условие вредного воздействия фактора на человека и среду, Предельно допустимая концентрация ПДК, определение и критерии безвредного взаимодействия вещества с человеком и другими объектами биосферы. Виды комбинированного действия и характер воздействия вредных веществ.

Методология установления ПДК. Показатели абсолютной токсичности, летальные дозы и концентрации, условия объективности показателей. Классы опасности вредных веществ, условие выбора класса.

Тема 4. Защита от атмосферных загрязнений (4 ч.).

Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха». Масштабы загрязнения атмосферы. Состав и распределение глобальных выбросов в атмосферу. Доля антропогенных выбросов. Распределение выбросов в атмосферу, поступающих от различных источников в промышленно развитых странах. Последствия загрязнения атмосферы.

Содержание понятия «загрязнение», безопасный естественный фон. Классификация источников загрязнения. Преобладающий характер антропогенных источников. Основные естественные источники. Распределение выбросов от естественных и антропогенных источников.

Дифференцирование нормируемых показателей чистоты атмосферного воздуха. Смысл предельно допустимых концентраций: максимально разовой, среднесуточной и для растений.

Предельно допустимый выброс вредных веществ в атмосферу. Источники, регламентируемые по предельно допустимому выбросу.

Мероприятия по защите атмосферы.

Состав и содержание комплекса архитектурно-планировочных и технологических мероприятий. Планировка и размещение промышленного предприятия. Основные санитарные требования к размещению производственных и вспомогательных зданий и сооружений на территории предприятия.

Организация санитарно-защитных зон. Санитарная классификация промышленных предприятий по виду и интенсивности загрязнений окружающей среды. Параметры санитарнозащитных зон, нормируемые показатели, принципы организации.

Газоочистка и пылеулавливание, классификация загрязнений по агрегатному состоянию.

Методы очистки: механическое улавливание для очистки аэрозолей и физико-химическое связывание и преобразование вредных веществ в газо-и парообразных смесях.

Рассеивание выбросов в атмосфере, содержание и область использования метода.

Классификация источников по высоте и организации выбросов. Организация выброса из труб и аэрационных фонарей, основные проектные параметры. Мониторинг выбросов, принципы организации.

Нормализация внутренней среды помещений. Понятие рабочей зоны, объекты и задачи нормализации.

Понятие и параметры микроклимата. Обеспечение нормируемых величин параметров микроклимата. Тепловой баланс организма с окружающей воздушной средой. Формы и зависимость тепломассообмена от параметров микроклимата.

Влияние параметров микроклимата на человека. Дифференцированное и совместное воздействие, формирование теплоощущения, тепловая нагрузка среды.

Гигиеническое нормирование параметров воздушной среды. Оптимальные и допустимые параметры микроклимата, факторы, учитываемые при нормировании: период года, категория тяжести работ, тепловая напряженность помещения, характер рабочего места.

Нагревающий и охлаждающий микроклимат. Оптимальные и допустимые параметры микроклимата в помещениях ВЦ, терминальных классах и т.д.

Обеспечение чистоты воздуха в рабочей зоне. Нормативные показатели чистоты атмосферного воздуха: среднесменная, максимальная и предельно допустимая концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Мероприятия по нормализации воздушной среды в помещениях. Состав и содержание мероприятий, область применения, достоинства и недостатки.

Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха. Основные гигиенические требования. Классификация по способу перемещения. Организованная естественная вентиляция: аэрация, использование дефлекторов, область применения, достоинства и недостатки.

Классификация механической вентиляции по организации воздухообмена: общая и местная вентиляция. Виды и назначение общей и местной вентиляции. Схемы построения вентиляции, основные элементы.

Организация вентиляции, определение расходно-напорных параметров вентиляции, сопротивления трения, местные и общее сопротивление вентиляционной системы.

Тема 5 Защита водного бассейна и почв (4 ч.).

Масштабы загрязнения гидросферы. Состав загрязняющих веществ в сточных водах машиностроительных предприятий. Последствия загрязнения гидросферы.

Основные водопотребители. Мировая статистика водопотребления. Источники и принципы обезвреживания сточных вод, структура безвозвратного водозабора. Актуальность проблем водопотребления. Водное законодательство. Водный кодекс РФ Нормирование качества воды. Категорирование водоемов, соответствие нормируемых показателей местам пунктов водозабора и выпуска сточных вод. Лимитирующие показатели вредности, виды и область применения.

Методология оценки чистоты воды, гигиенические критерии, разделение примесей по лимитирующим показателям вредности, аддитивный эффект комбинированного действия примесей.

Самоочищение водоемов, влияние чистоты стока. Оценка необходимой чистоты стоков.