《材料物理》课程教学大纲

 

一、课程基本信息

课程名称：材料物理

英文名称：Materials Physics

适用专业：材料化学专业

课程类型：专业限选课

课程性质：专业选修课

课程学时：32学时

课程学分：2学分

先修课程：结构化学、大学物理、材料科学基础

授课方式：讲授与多媒体辅助等

大纲制定人：孟新

制定时间： 2018-06

二 、使用说明

1、课程性质、目的及任务

    《材料物理》课程是从物理学原理出发提供材料结构、特性与性能的一门新兴交叉学科，主要面向新能源与新信息等新功能材料探索。材料物理专业提供物理学、材料科学、材料化学和材料物理的基本理论、基本知识和基本技能的系统学习，材料探索、制备与合成的思维与技能等方面的基本训练，以及材料加工、材料结构与性能测定及材料应用等方面的专业训练，旨在帮助学生掌握材料物理及其相关的基础知识、基本原理和实验技能，具备运用物理学和材料物理的基础理论、基本知识和实验技能进行材料探索和技术开发的基本能力，能发展成为在材料科学与工程及其相关交叉学科（材料、物理、化学、生物、医学等）继续深造或在相应领域从事材料物理研究、教学、应用开发等方面的创新性人才。

2、课程学时、学分、主要教学环节

（1）每周3学时，共计10周，32学时

（2）学分：2分

（3）主要教学环节

A．课堂讲授、辅导、作业、习题课。组织研讨课、习题课或辅导课。突出教学内容的“精讲”和“启发式”，培养学生分析问题和解决问题的能力，并能锻炼学生表达能力。

B．课后作业：每周约0.5小时。

3、课程与其它课程的联系

材料物理的特色方向在半导体物理，电子材料等领域，要求学生必须先修高等数学、大学物理、材料科学基础等课程。本课程本书共分五章，包括量子力学基础、电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能。每章内容主要涉及物理性能的基本概念及其物理本质，影响物理性能的因素，测量物理性能的方法，最后归结到物理性能分析方法在材料科学中的应用。

4、教材

田莳主编，《材料物理性能》，北京航空航天大学出版社，2004

5、主要参考书

黄昆主编，《固体物理学》，高等教育出版社，1998

李志林主编，《材料物理》，化学工业出版社，2009

6、考核方式

作业成绩、平时成绩、期终考试成绩，分别占10%、20%、70%。

三、课程内容

（一）课程教学的要求

1、巩固大学普通物理的量子物理基础，掌握微观粒子的波粒二象性、德布罗意波、波函数等概念，理解描述微观粒子运动规律的薛定谔方程。

2、认识金属自由电子论和能带理论的区别与联系，从物理本质上理解晶体中电子能量结构的导带、价带和禁带（能隙）产生的原因，并利用能带理论的初步知识说明材料的一些物理性质。

3、 掌握金属、半导体、离子晶体的导电机制以及影响电导率的主要因素，学会运用费米-狄拉克分布函数和半导体的特点进行载流子速度的计算，了解电子和空穴运动规律。

4、 掌握极化和介电常数的概念，理解与极化相关的物理量，并学会分析极化的微观机制，掌握电介质在交变电场下的性能表征参数：复介电常数、电介损耗以及对外场响应的极化德拜方程。

5、 定性理解材料热容、热膨胀、热传导的物理本质，掌握表征上述性能的物理参量；理解摩尔热容、线膨胀和体膨胀系数、热导率和热扩散率的物理意义，掌握他们的影响因素和变化规律，以及造成材料差别的原因。

6、 定性了解材料的抗磁性、顺磁性和反铁磁性产生的机理和在磁场中的表现，了解铁磁性和亚铁磁性产生的条件，并结合磁性材料掌握表征铁磁性和亚铁磁性材料的物性特点。掌握晶态磁性和动态磁性的差别以及测试方法。

7、 全面理解材料透过率、反射率、折射率和吸收系数，以及散射系数的意义，理解材料的透明、半透明、乳浊、不透明以及材料颜色的物理意义，并会分析表征这些性质的物理参数的影响因素，掌握荧光和磷光的发光机理，掌握典型激光器工作物质的工作原理。

（二）教学安排：

根据课程内容量，建议一学期内完成课程讲授（32学时）。

第一章　绪论（1学时）

　　

教学目的及要求：

1、了解材料物理的背景知识

2、了解材料物理课程的主要讲授内容

3、了解材料物理的研究方法及学习方法

教学重点：

材料物理课程的主要内容

基本内容：

一、 材料物理背景知识

二、 材料物理课程简介

第二章　量子力学基础（2学时）

教学目的及要求：

1、 巩固大学普通物理的量子物理基础

2、 掌握微观粒子的波粒二象性、德布罗意波、波函数等概念

3、 理解描述微观粒子运动规律的薛定谔方程

4、 学习应用薛定谔方程

教学重点:

1、 树立量子力学理念

2、 薛定谔方程的物理意义

3、 量子力学的应用

教学难点:

量子力学的应用

基本内容:

一、量子力学的发展史

二、古典量子力学

三、量子力学的假设

四、波函数的统计意义

五、量子力学的应用

第三章 材料的热学性能（6学时）

教学目的及要求：

1、 定性理解材料热容、热膨胀、热传导的物理本质

2、 掌握表征材料热容、热膨胀和热传导性能的物理参量

3、 理解摩尔热容、线膨胀和体膨胀系数、热导率和热扩散率的物理意义

4、 掌握热容、热导率和热扩散率的影响因素和变化规律

5、 理解造成金属和无机非金属材料热学性能差别的原因

教学重点：

1、 材料热容、热膨胀、热传导的物理本质及其表征物理参量

2、 材料热学性能的影响因素和变化规律

教学难点：

1、 热容、热导率的影响因素和变化规律

2、 实际材料热性能的分析

基本内容：

一、热力学与统计学概要

二、材料的热容

1、热容基本概念

2、热容量的经验定律

3、量子力学比热理论

4、实际材料的热容

5、相变与热容

三、材料的热膨胀

1、热膨胀的微观机理

 2、膨胀系数与其它物理量的关系

3、影响热膨胀的因素

4、实际材料的热膨胀

四、材料的热传导

1、材料的热导率

2、材料的热扩散率

3、导热微观机制

4、实际材料的热传导

五、材料的热稳定性

第四章　材料的电学性能（12学时）

教学目的及要求：

1、 认识金属自由电子论和能带理论的区别与联系

2、 从物理本质上理解晶体中电子能量结构的导带、价带和禁带（能隙）产生的原因

3、 利用能带理论的初步知识说明材料的一些物理性质

4、 掌握金属、半导体、离子晶体的导电机制以及影响电导率的主要因素

5、 学会运用费米-狄拉克分布函数和半导体的特点进行载流子树立的计算

6、 了解电子和空穴运动规律。

7、 掌握极化和介电常数的概念

8、 理解与极化相关的物理量

9、 并学会分析极化的微观机制

10、 掌握电介质在交变电场下的性能表征参数：复介电常数、电介损耗以及对外 场响应的极化德拜方程

教学重点：

1、电子能量结构的导带、价带和禁带（能隙）产生的原因　

2、能带理论知识的应用　　

3、金属、半导体、离子晶体的导电机制以及影响电导率的主要因素

4、极化和介电常数的概念

5、极化相关的物理量

教学难点：

1、实际材料的导电性能分析

2、半导体材料的导电机制

3、极化的微观机制及其相关物理量

基本内容：

一、金属自由电子论

1、金属的电导率

2、金属电阻率与温度的关系

3、电阻率与压力的关系

4、冷加工和缺陷对电阻率的影响

5、电阻率的各向异性

6、固溶体的电阻率

二、能带理论

1、单电子近似法

2、准自由电子近似的电子能谱

三、 半导体

1、半导体材料的基本特性

2、本征半导体和杂质半导体

3、半导体中载流子浓度的计算

（1）非简并半导体的统计分布

（2）本征半导体中载流子的统计分布

（3）杂质半导体中载流子的统计分布

（4）载流子的迁移率

四、 离子类载流子导电

五、 材料的介电性能

1、电介质及其极化

（1）电介质的电容率

（2）极化相关物理量

（3）极化类型

（4）宏观极化强度与微观极化率的关系

2、交变电场下的电介质

3、电介质在电场中的破坏

4、铁电体

第五章：材料的磁学性能（7学时）

教学目的及要求：

1、 定性了解材料的抗磁性、顺磁性和反铁磁性产生的机理和在磁场中的表现

2、 了解铁磁性和亚铁磁性产生的条件

3、 结合磁性材料掌握表征铁磁性和亚铁磁性材料的物性特点

4、 掌握晶态磁性和动态磁性的差别以及测试方法

教学重点：

1、 抗磁性、顺磁性和反铁磁性产生的机理

2、 铁磁性和亚铁磁性产生的条件

3、 铁磁性和亚铁磁性的物性特点

教学难点：

铁磁性和亚铁磁性的物性特点和产生条件

基本内容：

一、 材料的磁性

1、 材料的磁现象

2、 材料的磁性微观机理

3、 材料磁性的分类

二、 材料的抗磁性和顺磁性

1、 材料的抗磁性理论

2、 材料的顺磁性理论

3、 晶体场理论

三、 材料的铁磁性

1、 材料的铁磁性

2、 分子场理论基础

3、 技术磁化

四、材料的反铁磁性和亚铁磁性

五、材料磁性的影响因素

第六章　材料的光学性能（4学时）

教学目的及要求：

1、 全面理解材料透过率、反射率、折射率和吸收系数，以及散射系数的意义

2、 理解材料的透明、半透明、乳浊、不透明以及材料颜色的物理意义

3、 学会分析表征光学物理性能参数的影响因素

4、 掌握荧光和磷光的发光机理，掌握典型激光器工作物质的工作原理

教学重点：

材料光学性质的物理参数

教学难点：

材料光学物理性能参数的意义和影响因素

基本内容：

一、 光与固体的相互作用

1、 光的波粒二象性

2、 光透过固体现象

3、 光的折射

4、 光的反射与透射

5、 光的吸收

6、 光的色散与散射

7、 光的透光性与颜色

二、激光与激光材料

三、光的传输与光纤材料