Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Уральский государственный педагогический университет»
Институт физики и технологии
Кафедра общей физики и естествознания
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Современные проблемы науки и образования»
для ООП «230700 – Прикладная информатика»
Профиль: Прикладная информатика в образовании Б.3.В.05 Профессиональный цикл, вариативная часть Очная форма обучения Заочная форма обучения Курс – 1 Курс – 1 Семестр – 1, 2 Семестр – 1 Объем в часах всего – 144 Объем в часах всего – 144 в т.ч.: лекции – 16 в т.ч.: лекции – 6 лабораторные занятия – 54 практические занятия – самостоятельная работа – 74 самостоятельная работа – Экзамен – 2 семестр Экзамен – 1 семестр Екатеринбург Рабочая учебная программа по дисциплине «Современные проблемы науки и образования»
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет»
Екатеринбург, 2012. – 21 с.
Составитель: Юрьева Э.И., к.ф.-м.н., доцент, кафедра общей физики и естествознания УрГПУ _Э.И. Юрьева Рабочая учебная программа обсуждена на заседании кафедры общей физики и естествознания УрГПУ Протокол № 10 от 22.06. Зав. кафедрой П.С. Попель Директор Института физики и технологии П.В. Зуев
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1.1. Цели и задачи дисциплины: обучение студентов научным основам современной технологий, методам исследования новых материалов с технологически важными свойствами.1.2. Место дисциплины в структуре ООП «Современные проблемы науки и образования» являются дисциплиной вариативной части профессионального цикла. Для ее изучения студент должен обладать знаниями и владеть терминологией, предусмотренными программами дисциплин «Физика», «Химия», «Математика» и «Концепции современного естествознания». Для овладения дисциплиной студент должен обладать следующими общекультурными компетенциями: способен использовать, обобщать и анализировать информацию, ставить цели и находить пути их достижения в условиях формирования и развития информационного общества (ОК-1).
1.3. Требования к результатам освоения дисциплины Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
способен использовать, обобщать и анализировать информацию, ставить цели и находить пути их достижения в условиях формирования и развития информационного общества (ОК-1);
способен понимать сущность и проблемы развития современного информационного общества (ОК-7);
способен использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности и эксплуатировать современное электронное оборудование и информационнокоммуникационные технологии в соответствии с целями образовательной программы бакалавра (ПК-3).
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать основные определения физики конденсированного состояниия; основы процессов создания новых материалов; историю развития физико-химических технологий, классификацию материалов и новейших методов исследования физико-химических свойств веществ;
уметь прогнозировать свойства материалов, исходя из электронной атомной структуры;
владеть навыками применения физических законов при решении задач современных технологий, достаточными для постановки эксперимента, получения сведений о свойствах реальных или гипотетических материалов и решения общих задач физического материаловедения.
1.4. Объем дисциплины и виды учебной работы Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы.
2. УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ
2.1. Учебно-тематический план очной формы обучения № Наименование темы, Всего Аудиторные часы Сап/п раздела трудо- мосм- тоя кость тель ная работа Все- Лек Пра Ла- го ции кти- бора чес- тор- кие ные 1. Введение 24 12 2 - 10 2. Теории межатомного 24 14 4 - 10 взаимодействия 3. Высокотемпературные 26 12 2 - 10 сверхпроводники ментов на функциональные свойства живых организмов стояния вещества 2.2. Учебно-тематический план заочной формы обучения взаимодействия сверхпроводники ментов на функциональные свойства живых организмов стояния вещества3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Введение 2. Теории межатомного взаимодействия 3. Высокотемпературные сверхпроводники 4. Химические источники тока 5. Влияние примесей элементов на функциональные свойства живых организмов 6. Круговорот углерода в природе 7. Теории жидкого состояния вещества 3.1. ОЧНАЯ ФОРМА ОБУЧЕНИЯ 3.1.1. Перечень тем лекционных занятий Лекция Тема: ВВЕДЕНИЕ 1.1. Статистическая физика равновесного состояния, 1.2. Статистическая физика неравновесных процессов - физическая кинетика.1.3. Поведение системы под влиянием малого внешнего возмущения.
1.4. Флуктуации в произвольной системе, приведенной в сильно неравновесное состояние внешним воздействием, зависящим от времени.
Лекция
Тема: ТЕОРИИ МЕЖАТОМНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
2.1. Взаимосвязь в молекулах.2.2. Невалентные взаимодействия в молекулярных системах.
2.3. Электронное строение твердых тел.
2.4. Квантовая химия наноразмерных систем 2.5. Методы расчета молекул и внедренных кластеров.
2.6 Методы расчета кристаллов.
Лекция
Тема: ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ
3.1. Источник высокотемпературной сверхпроводимости.3.2. Электрон-решеточная релаксация и нестабильность базовых купратов.
3.3. Группа железо-арсенатных сверхпроводников.
3.4. Особенности синтеза и экспериментальные свойства сверхпроводников.
Лекция Тема: ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 4.1. Классификация гальванических элементов.
4.2. Сухие гальванические элементы.
4.3. Электрохимические аккумуляторы.
4.4. Топливные элементы.
Лекция
Тема: ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
5.1. Экспериментальные данные о содержании тяжелых металлов в атмосфере, гидросфере и твердой оболочке Земли.5.2. Активный центр гемоглобина, 5.3. Расчеты устойчивости активного центра гемоглобина при возможном замещении железа на другие металлы.
5.4. Активный центр оксигемоглобина.
Лекция
Тема: КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ
6.1. Влияние вулканической деятельности.6.2. Карбонатные магмы.
6.3. Условия замещения атомов кальция на атомы металлов в CaCO3.
6.4. Процессы закисления океана.
Лекция
Тема: ТЕОРИИ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
7.1. Фазовое превращение в метастабильной фазе.7.2. Фазовый переход кристалл - жидкость.
7.3. Фазовый переход жидкость - пар.
7.4. Фазовые переходы в растворах.
3.1.2. Перечень тем лабораторных работ Занятие Тема: Металлические сплавы и композиты 1.1. Физические и химические свойства металлов.
1.2. Получение металлов.
1.3. Металлические сплавы.
1.4. Композиционные материалы. Керметы.
Занятие Тема: Кристаллическое состояние твердых тел 2.1. Форма организации структуры твердых тел 2.2. Построение элементарных ячеек кристаллов.
2.3. Трехмерная периодичность кристалла. Сингонии.
2.4. Метастабильные структуры.
2.5. Поведение метастабильных структур с позиции энергии Гиббса.
Занятие Тема: Квантово-химические методы расчета параметров молекул 3.1 Расчет полной энергии в зависимости от расстояния 3.2 Определение геометрии молекулы и энергии диссоциации 3.3 Расчет дипольного момента 3.4 Вычисление частот колебательных спектров двухатомных молекул.
Учет ангармонизма.
3.5. Спектрофотометрические методы анализа вещества.
Занятие Тема: Метод внедренного кластера 4.1. Входная информация.
4.2. Ограничения метода.
4.3. Выходная информация.
4.4. Решаемые задачи.
Занятие Тема: Зонные методы расчета электронной структуры 5.1. Линейные методы ЛМТО.
5.2. Расчет полной энергии.
5.3. Расчет зависимости полной энергии от вида обменнокорреляционного потенциала.
5.4. Величины локализованных магнитных моментов.
Занятие Тема: Методы ядерной спектроскопии 6.1. Электрические электронно-ядерные сверхтонкие взаимодействия.
6.2. Магнитные электронно-ядерные сверхтонкие взаимодействия.
6.3. Расчет параметров спектров ЯМР.
6.4. Расчет параметров спектров ЯГР.
Занятие Тема: Материалы со сверхпроводящими свойствами 7.1. Расчет температуры сверхпроводящего перехода в иттрийбариевой керамике.
7.2. Расчет температуры сверхпроводящего перехода в ферропниктиде.
7.3. Расчет температуры сверхпроводящего перехода в модельной системе Fe-N.
7.4. Расчет условий перехода в сверхпроводящее состояние в Cu-O системе.
Занятие Тема: Расчет параметров химической связи 8.1. Степень ионности 8.2. Ковалентность 8.3. Ширина запрещенной зоны 8.4. Плотности электронных состояний 8.5. Величины локализованных магнитных моментов 3.2. ЗАОЧНАЯ ФОРМА ОБУЧЕНИЯ 3.2.1. Перечень тем лекционных занятий Лекция
Тема: ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ
3.1. Источник высокотемпературной сверхпроводимости.3.2. Электрон-решеточная релаксация и нестабильность базовых купратов.
3.3. Группа железо-арсенатных сверхпроводников.
3.4. Особенности синтеза и экспериментальные свойства сверхпроводников.
Лекция
Тема: ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
5.1. Экспериментальные данные о содержании тяжелых металлов в атмосфере, гидросфере и твердой оболочке Земли.5.2. Активный центр гемоглобина, 5.3. Расчеты устойчивости активного центра гемоглобина при возможном замещении железа на другие металлы.
5.4. Активный центр оксигемоглобина.
Лекция
Тема: КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ
6.1. Влияние вулканической деятельности.6.2. Карбонатные магмы.
6.3. Условия замещения атомов кальция на атомы металлов в CaCO3.
6.4. Процессы закисления океана.
3.2.2. Перечень тем практических занятий Занятие Тема: Металлические сплавы и композиты 1.1. Физические и химические свойства металлов.
1.2. Получение металлов.
1.3. Металлические сплавы.
1.4. Композиционные материалы. Керметы.
Занятие Тема: Кристаллическое состояние твердых тел 2.1. Форма организации структуры твердых тел 2.2. Построение элементарных ячеек кристаллов.
2.3. Трехмерная периодичность кристалла. Сингонии.
2.4. Метастабильные структуры.
2.5. Поведение метастабильных структур с позиции энергии Гиббса.
Занятие Тема: Материалы со сверхпроводящими свойствами 7.1. Расчет температуры сверхпроводящего перехода в иттрийбариевой керамике.
7.2. Расчет температуры сверхпроводящего перехода в ферропниктиде.
7.3. Расчет температуры сверхпроводящего перехода в модельной системе Fe-N.
7.4. Расчет условий перехода в сверхпроводящее состояние в Cu-O системе.
Занятие Тема: Квантово-химические методы расчета параметров молекул 3.1 Расчет полной энергии в зависимости от расстояния 3.2 Определение геометрии молекулы и энергии диссоциации 3.3 Расчет дипольного момента 3.4 Вычисление частот колебательных спектров двухатомных молекул.
Учет ангармонизма.
3.5. Спектрофотометрические методы анализа вещества.
Занятие Тема: Расчет параметров химической связи 8.1. Степень ионности 8.2. Ковалентность 8.3. Ширина запрещенной зоны 8.4. Плотности электронных состояний 8.5. Величины локализованных магнитных моментов
4. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И ОРГАНИЗАЦИЯ
КОНТРОЛЬНО-ОЦЕНОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Во внеаудиторное время студенты работают над темами, вынесенными на семинарские занятия, дорабатывают задания, выполняемые на практических занятиях, оформляют отчеты по практическим работам.Темы, вынесенные на самостоятельное изучение 1. Проблемы современной физики конденсированного состояния.
2. Современная химия неорганических материалов.
3. Редукция современной науки: объясняются ли все химические процессы законами физики?
4. Изучение динамической составляющей процессов в современной теории материалов.
5. Моделирование неравновесного состояния вещества. Влияние температуры и давления.
6. Основы создания квантового компьютера.
7. Применение жидких кристаллов в технологии.
8. Перспективы развития водородной энергетики.
9. Элементы памяти на основе материалов с аномально высоким магнитосопротивлением.
10. Новые слоистые материалы, проявляющие высокие значения температуры сверхпроводящего перехода.
1. Структурно-чувствительные физические свойства материалов 2. Влияние внешних условий на физические свойства материалов.
3. Роль межатомных взаимодействий в формировании пространственной структуры материалов.
4. Проблемы создания современных наноматериалов.
5. Практические методы изучения фазовых диаграмм многокомпонентных веществ.
6. Виды фазовых переходов и теоретические методы их описания.
7. Современная теория функционала электронной плотности.
8. Методы компьютерного моделирования в материаловедении.
9. История и перспективы развития кластерного подхода.
10. Локальные свойства материалов.
11. Электронная структура материалов в рамках зонной теории.
12. Описание поверхностных явлений в одноэлектронном зонном приближении.
13. Виды метастабильных состояний конденсированного вещества.
14. Метастабильные вещества как основные фазы в химии легких элементов.
15. Изучение фаз конденсированного состояния методом ЯМР.
16. Исследование электронной структуры методом ЯГР.
17. Кристаллохимическй дизайн в синтезе новых материалов.
18. Твердые растворы оксидов переходных металлов.
19. Синтез новых ВТСП материалов.
20. Развитие теории ВТСП материалов.
1. Агрегатные состояния вещества.
2. Конденсированное состояние вещества.
3. Теплового движения атомов в твердых телах, жидкостях и газах.
4. Типы химических связей между атомами.
5. Физические свойства твердых тел.
6. Внешние валентные электроны.
7. Электрические свойства.
8. Магнитные свойства.
9. Потребности современных отраслей промышленности.
10. Ионная и полупроводниковая проводимость.
11. Фотопроводимость.
12. Люминесценция.
13. Диффузия.
14. Элементы симметрии кристалла.
15. Примитивная элементарная ячейка. Виды ячеек.
16. Классическое определение равновесной фазы.
17. Особенности химического подхода.
18. Фазовые переходы 1-го рода.
19. Фазовые переходы 2-го рода.
20. Диаграмма состояний однокомпонентных веществ.
21. Особенности диаграммы для изотопа гелия-4.
22. Диаграммы состояния для квазиравновесных систем легких элементов.
23. Отличия диаграмм систем на основе легких и тяжелых элементов.
24. Одноэлектронная волновая функция. Учет спина электрона.
25. Антисимметричность многоэлектронной волновой функциии.
26. Детерминант Слэтера.
27. Вариационный принцип.
28. Обменный потенциал.
29. Открытая и закрытая электронная оболочка.
30. Локальное приближение для обменного потенциала. Кулоновская корреляция.
31. Матричные элементы гамильтониана.
32. Матрица перекрывания.
33. Базис молекулярных орбиталей.
34. Плотность электронных состояний.
35. Заселенность молекулярных орбиталей.
36. Эффективные заряды атомов.
37. Локализованные магнитные моменты.
38. Кластерный подход.
39. Поля химической связи.
40. Теория функционала электронной плотности.
41. Моменты плотностей состояний.
42. Минимум энергии Гиббса и энергетический барьер.
43. Влияние температуры на устойчивость системы.
44. Влияние давления на устойчивость системы.
45. Аморфное состояние как переохлажденная жидкость.
46. Особенность термодинамического состояния стекол.
47. Структурные особенности наноматериалов.
48. Структура квазикристаллов.
49. Ориентационный порядок в жидких кристаллах.
50. Особенности изучаемых систем в физике и химии.
51. Спин во внешнем магнитном поле.
52. Влияние температуры на устойчивость системы.
53. Параметры спектров ЭПР.
54. Тонкая структура спектров ЭПР.
55. Сверхтонкая структура спектров ЭПР.
56. Мессбауэровская спектроскопия.
57. Квадрупольные эффекты.
58. Твердые растворы.
59. Топохимическая память.
60. Высокотемпературные сверхпроводники.
61. Тонкие пленки.
62. Получение наночастиц материала.
63. Стабилизация наночастиц материала.
64. Соединения переменного состава.
65. Неорганические биоматериалы.
66. Элементы в аномальных степенях окисления.
67. Влияние микроволнового излучения на вещество.
68. Изотопический эффект в сверхпроводнике.
69. Сверхтекучесть гелия.
70. Сверхпроводимость чистых металлов.
71. Сверхпроводимость сплавов.
72. Сверхпроводимость в слоистых материалах на основе оксидов меди.
73. Теория Лондонов.
74. Теория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау.
75. Выражение для критической температуры в теории БардинаКупера-Шриффера.
76. Куперовские пары и роль электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводниках.
Примерная структура экзаменационного билета.
Уральский государственный педагогический университет
РАССМОТРЕНО УТВЕРЖДАЮ
и естествознания проблемы науки и 1. Конденсированное состояние вещества.2. Минимум энергии Гиббса и энергетический барьер. Влияние температуры на устойчивость системы.
3. Представление результатов проведенных исследований.
Преподаватель: _ / подпись
«