Министерство образования и науки Российской Федерации

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 специальности «080801.65 - Прикладная информатика в образовании»

по циклу ДС.Ф.8 - Дисциплины специализации Очная форма обучения Заочная форма обучения Курс – 3 Курс – 5 Семестр – 5 Семестр – 10 Объем в часах всего – 100 Объем в часах всего – 100 в т.ч.: лекции – 20 в т.ч.: лекции – практичческие занятия – 30 практические занятия – самостоятельная работа – 50 самостоятельная работа – Зачет – 5 семестр Зачет – 10 семестр Екатеринбург Рабочая учебная программа по дисциплине «Современные проблемы науки и образования»

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет»

Екатеринбург, 2012. – 16 с.

Составители:

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 от 22.06.2012, № Зав. кафедрой П.С.Попель Директор Института физики и технологии _ П.В. Зуев

1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Рабочая программа дисциплины «Современные проблемы науки и образования» предназначена для студентов, обучающихся по специальности «Прикладная информатика в образовании».

Цель дисциплины: обучение студентов научным основам современной технологий, методам исследования новых материалов с технологически важными свойствами.

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 2 2 2 - - Теории межатомного 18 10 4 6 - взаимодействия 3. Высокотемпературные 16 6 2 4 - сверхпроводники 4. Химические источники 16 8 2 6 - тока 5. Влияние примесей эле- 16 8 4 4 - ментов на функциональные свойства живых организмов 6. Круговорот углерода в 16 8 2 6 - природе 7. Теории жидкого со- 16 8 4 4 - стояния вещества 100 50 20 30 - Итого:

2.2. Учебно-тематический план заочной 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- взаимодействия сверхпроводники ментов на функциональные свойства живых организмов стояния вещества

3. 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 практических 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.

3.2. 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 13. Виды метастабильных состояний конденсированного вещества.

14. Метастабильные вещества как основные фазы в химии легких 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.

5. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ

ДИСЦИПЛИНЫ

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.

6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Цирельсон В.Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела // Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010. – 496 с. [Библиотека КОФЕ ИФиТ УрГПУ – 2. Moskvin A.S. What is the true charge transfer gap in parent insulating cuprates? // arxiv: 1105. 3159v [cond-mat. Str-el] May 2011. [Открытый доступ http://arxiv.org/].

3. Пудалов В.М., Омельяновский О.Е., Хлыбов Е.П. и др. В.Л. Гинзбург и развитие в ФИАНе экспериментальных работ по высокотемпературной сверхпроводимости: «железные сверхпроводники» // Успехи физических наук. -2011. -Т 181. -С.

672. [Открытый доступ http:// www.ufn.ru].

4. Белявский В.И., Копаев Ю.В. Уравнения ГинзбургаЛандау для высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук. -2007. -Т 177. -С. 565. [Открытый доступ http:// www.ufn.ru].

5. Скрипов В.П., Файзуллин М.З. Фазовые переходы кристалл – жидкость – пар и термодинамическое подобие // М.:

Физматлит; 2003. – 160 с. [Библиотека УрГПУ, 1 экз.] 6. В.В. Буданов, А.И. Максимов. Химическая термодинамика // М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. [Библиотека КОФЕ ИФиТ УрГПУ – 1 экз.] 7. В.В. Бражкин. Метастабильные фазы, фазовые превращения и фазовые диаграммы в физике и химии // Успехи физических наук. - 2006. - Т. 176. - С. 745. [Открытый доступ http:// www.ufn.ru].

8. Питаевский Л.П. Строгие результаты неравновесной статистической физики и их экспериментальная проверка // Успехи физических наук. - 2011. - Т 181. - С. 647. [Открытый доступ http:// www.ufn.ru].

9. J. Muller. Fluctuation spectroscopy: a new approach for studing low-dimensional molecular metals // Chem. Phys. Chem. -2011. V.

12. - P. 1222 – 1245. [Библиотека КОФЕ ИФиТ УрГПУ – 1 экз.] 1. В.И. Блинов, И.Л. Перфилова, Л.В. Юмашева, Р.Г. Чувиляев. Химия: основные понятия, термины и законы // Москва:

КНОРУС, 2010 - 160 с. [Библиотека КОФЕ ИФиТ УрГПУ – 2. Ю.А. Пентин, Л.В. Волков. Физические методы исследования в химии // М.: Мир, 2003. [Библиотека КОФЕ ИФиТ 3. Юрьева Э.И. Устойчивость фрагментов конденсированных сред // Саарбрюкен: LAP Lambert Academic Publishing. 2012.

557 c. [Библиотека КОФЕ ИФиТ УрГПУ – 1 экз.] 6.2. Информационное обеспечение дисциплины 1. 2. Дорошкевич А.Г., Лукаш В.Н., Михеева Е.В. // УФН. 2012.

Т. 182. С. 3.

2. Бялко А.В. // УФН. 2012. Т. 182. С. 111.

3. Андреев А.Ф. // УФН. 2012. Т. 182. С. 105.

4. Троицкий С.В. // УФН. 2012. Т. 182. С. 77.

7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ И ДИДАКТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

При изучении данной дисциплины рекомендуется использовать:

– учебно-наглядные пособия (таблицы, схемы, карты и др.);

– карточки раздаточного материала;

– аудиовизуальные материалы;

– специализированные аудитории (лаборатории), музеи и т.п.;

– технические средства обучения (компьютерная техника, приборы, лабораторные установки, оборудование, аудио-, видеоаппаратура, инструменты).

-материалы текущей периодической литературы по физике, в.ч.

из Интернет–изданий.

8. СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ ПРОГРАММЫ

Юрьева Эльмира Ибрагимовна доцент кафедры общей физики и естествознания Института физики и технологии УрГПУ рабочий телефон 371-46-

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине «Современные проблемы науки и образования»

для специальности «080801.65 - Прикладная информатика по циклу ДС.Ф.8 - Дисциплины специализации Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л..

Уральский государственный педагогический университет.

620017 Екатеринбург, пр. Космонавтов, 26.