РУП Лицея 31, курс Преобр. энергии и термоэлектрич

(1998 г.)

МОУ Лицей №31 г.Челябинска с углубленным изучением математики, физики и информатики


Спецкурс
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  ЯВЛЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Горшков Алексей Владимирович
Инженер-физик, вып. МФТИ 1991 г.
сп. "прикладная математика и физика"
и асп. МФТИ 1995 г., сп. "физика и химия плазмы".
Старш. преп. каф. инф. ЮУрГУ с 1998 г.


ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА

1. Ознакомить старшеклассников ФМЛ № 31 с основами физики твёрдого тела.
2. Ознакомить с принципом симметрии в физике, а также соответствующей коллекцией очень интересных и полезных явлений.
3. В частности, ознакомить учащихся с термоэлектрическими явлениями Зеебека, Пельтье, Томсона, Бриджмена.
3. На лабораторных работах "стандартного (для младшекурсников института)" содержания научить школьников простейшим приёмам экспериментальных исследований в областях физики: "электричество", "термодинамика и молекулярная физика", "физика твёрдого тела".
4. Дать возможность школьникам самостоятельно поисследовать не только параметры конкретных "технических устройств", но и сами физические явления.

ТРЕБОВАНИЯ К ПОСТУПАЮЩИМ НА КУРС

Желание познавать новое, не только "теоретически", но и "экспериментально".
Курс планируется на учащихся 9–11 классов МОУ СОШ №31. Могут быть даже ещё младше, 7–8 класс. Поэтому руководитель курса будет стараться избегать применения "старшеклассных" тем математики, но понимать графики функций и уметь решать алгебраические уравнения учащимся обязательно придётся. Учащимся 11 классов полезно (хотя и не обязательно) уже сейчас уметь дифференцировать, а к концу учебного года – также интегрировать.
Также приветствуется умение паять, не обжигая себе глаза и пальцы, и тыкать вольтметром и амперметром не куда попало, а куда надо. Однако если кто-либо этого ещё не умеет, то научим.

Также полезно (но не обязательно) уметь пользоваться ЭВМ (текстовые редакторы, электронные таблицы, графические редакторы, программирование на каком-либо из алгоритмических языков).

ЧТО НОВОГО ПРИОБРЕТУТ УЧАЩИЕСЯ

Очень-очень осторожно школьники будут ознакомлены с очень-очень маленькой частью основных понятий из области статистической физики, квантовой (волновой) физики, физической кинетики и физики твёрдого тела. Также будет рассказано о некоторых из разнообразных и интересных явлений физики твёрдого тела.

Опыт решения простейших задач из физики твёрдого тела.

Применение полученных так физических знаний в ходе экспериментов из области термодинамики, электричества, физики твёрдого тела.

Основные способы математической обработки экспериментальных данных, в т.ч. оценка погрешностей измерений и результатов.

Практическое применение термоэлектрических явлений для решения технических задач (создание новых устройств, способов, применений).

СВЯЗЬ СО ШКОЛЬНЫМИ ПРЕДМЕТАМИ

Термодинамика и молекулярная физика, электричество и магнетизм,  оптика, основы "квантовой (волновой)" механики.
Алгебра и начала математического анализа, основы теории вероятностей, программирование.


СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ


1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Принцип всеобщности в философии. Принцип сохранения Ломоносова–Лавуазье–Майера. О соотношении между экспериментом и теорией. Симметрия. О теореме Э.Нётер. Масса, энергия, импульс, момент импульса, другие параметры. "Степени свободы". Фазовое пространство, фазовый объём. О теореме Лиувилля, о теореме Пуанкаре–Цермело в "классической" механике. Статистические распределения. Понятие о "каноническом",  "микроканоническом" и др. распределениях Гиббса. Равновесие. "Нулевое начало термодинамики". Принцип сохранения энергии Ломоносова–Лавуазье–Майера–Джоуля–Гельмгольца–Эйнштейна. Температура. Распределение энергии по степеням свободы. Последовательность возбуждения степеней свободы, соответствующих различным уровням энергии. Теплоёмкость молекул различного строения. Гипотеза о детальном равновесии, принцип ослабления корреляций Колмогорова–Боголюбова. Энтропия (в математике и в физике). Энтальпия. Термодинамический потенциал. "Второе начало термодинамики" и аналогичные теоремы физической кинетики Способ "динамического отопления" В.Томсона. Правило Ленца; правило Вант-Гоффа; закон Ле Шателье – Брауна о равновесии. Теплоёмкость. Уравнение Майера. Адиабатический процесс. Уравнение адиабаты Пуассона. Политропа. Фазовые переходы первого и второго родов. Теплопроводность. "Температуропроводность". Уравнение переноса, решение Пуассона. Диффузия. Уравнение Фика. Формула Эйнштейна для диффузии. Термодиффузия. Диффузионный термоэффект. О "третьем начале термодинамики" – теореме Нёрнста. О "четвёртом начале термодинамики" – теореме Пригожина–Гленсдорфа. О теореме Струминского об энтропии единой Вселенной. Дискуссия о "геометрическом эффекте" для тепломассопереноса. Распределение Больцмана. Распределение Максвелла. Излучение "абсолютно чёрного тела". Теорема Кюри о кинетических тензорах. Теорема  Онсагера о симметрии кинетических коэффициентов перекрёстных процессов.  Гипотеза Де Бройля, уравнение Шрёдингера и его простейшие частные случаи. Соотношение неопределённостей Гайзенберга. Стационарный частный случай. Некоторые потенциальные ямы. Квантование. Энергетические уровни. Распределение Бозе–Эйнштейна. Принцип Паули. Распределение Ферми–Дирака. Особенности вырожденного ферми-газа.

2. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ И ЯВЛЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ ТВЁРДОГО ТЕЛА
И КОЛЛЕКЦИЯ СИММЕТРИЧНЫХ ЯВЛЕНИЙ.

Расщепление уровней энергии. Слияние атомов в тело с точек зрения классической и квантовой физики. Зонная модель твёрдого тела. Теорема Блоха. Проводники и полупроводники; их разновидности. Некоторые псевдочастицы в теории твёрдого тела. Уровень Ферми. Работа выхода. Электронное сродство. Теплоёмкость. Формула Дебая для теплоёмкости. Теплопроводность. Электропроводность. Скин-слой. Закон Видемана–Франца. Формула Блоха–Грюнайзена. Закон Грюнайзена. Закон Дюлонга и Пти. О взаимодействии с электромагнитным излучением – в "классическом" приближении. Приповерхностные эффекты и аналогия с плазменными явлениями. Коэффициент преломления электромагнитного излучения. Особенности рентгеновской оптики. Фотопроводимость Мея–Смита. Эффект Холла. О сверхтекучести. О сверхпроводимости. Внутренняя контактная разность потенциалов Вольта. Внешняя контактная разность потенциалов. Поверхностные уровни энергии Тамма и Шокли. Инверсия типа проводимости полупроводника. Внешний фотоэффект Столетова–Герца и формула Эйнштейна для фотоэффекта. Внутренний фотоэффект. Фотогальваническое явление. Многочастичные и многоступенчатые кинетические эффекты. Коллективные эффекты. Закон Вавилова. Люминесценция. Самопроизвольное (спонтанное) и вынужденное ("наведённое", индуцированное) излучение. Соотношение Эйнштейна для межуровневых переходов. Термолюминесценция. Переходное излучение. Излучение Черенкова–Вавилова. Сонолюминесценция. Термоэлектронная эмиссия. Туннельная ("автоэлектронная", "холодная") эмиссия. Автоионизация. "Туннельное охлаждение". Эффект Ноттингема. Эффект Франца–Келдыша. Магнитоупругий эффект Виллари. Магнитострикция.  Термомеханический и механокалорический эффекты. Гальваномагнитные явления: эффект Холла, магниторезистивный, эффекты размеров, эффекты формы, эффект Шубникова–ДеХааза. Фотомагнитоэлектрический эффект Кикоина–Носкова. Термомагнитный эффект Риги–ЛеДюка. Термогальваномагнитные явления. Эффект Барнетта. Эффект Видемана. Эффект Бурштейна–Мосса. Электрокинетические явления. Эффекты увлечения. Акустоэлектрический и электроакустический эффекты. Аномальное рассеяние. "Горячие" ("убегающие") носители. Эффект Тагера. Эффект Ганна. Энергетические барьеры в контактах. "Двойной"  электрический слой. Ширина барьера, высота барьера, характерные времена. Структуры с тонкой базой Лосева, Лилиенфельда, Бардина–Браттейна–Шокли, Шокли. Приборы с обеднённым слоем. Селективно-легированные структуры. Антизапирающий слой. Гетероструктуры. Двумерные и одномерные проводники. Эффект Дембера. Эффект Фарадея. Пироэлектрический эффект. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Эффект ДеХааза–ВанАльфвена. Термодиффузия Соре. Диффузионный термоэффект Дюфура. Эффект Эттингсхаузена. Эффект Нёрнста–Эттингсхаузена. Эффект Кондо. Термоэлектрическое явление Зеебека. Электротермическое явление Пельтье. Явление Томсона. Соотношения Кельвина для термоэлектрических коэффициентов. Явление Бриджмена. Другие термоэлектромагнитные явления.

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ И ПРИМЕНЕНИЯ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

• ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ. Вольт-амперная и другие стандартные характеристики объекта. Биологические действия электрического тока, высоких и низких температур, лазерного излучения, ультразвука. Правила безопасного ведения работ. Пользование генераторами и измерителями. Импеданс, закон Кирхгофа для электрических цепей. Измерение температуры. Калориметрирование. Измерение теплоёмкости. Измерение расхода жидкости. Измерение внутреннего сопротивления "чёрного ящика". Оптическая, в т.ч. спектроскопическая, техника. Излучение. Преломление, отражение, поглощение. Закон Кирхгофа для излучения. Изготовление и использование лабораторного чёрного и серого тела. Рассеяние. Дифракция. Интерференция.

• ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ. Индикаторы (указатели) и измерители разности температур и потоков тепла. Преобразователь разности температур (потока тепла) в электроэнергию Зеебека–Иоффе. Электротермические холодильники Пельтье–Ленца–Иоффе. "Динамическое отопление" В.Томсона. "Преобразователь жары в холод" (обращённое динамическое отопление). Преобразователь пространственной разности концентрации паров жидкости в газе (например, относительной влажности воздуха) в электроэнергию. Другие применения.

• ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ. Внутренний фотоэффект. Фотодиод, фоторезистор. Фотоэлементы, солнечные батареи, энергетика. Вольт-амперные осветительные характеристики. Светоизлучающий диод. Полупроводниковый лазер. Газоразрядный лазер.

• ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ФОТО-ЭЛЕКТРО-ТЕРМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ. Спектр излучения чёрного тела. Спектр излучения и отражения металла. Спектр поглощения в металле. Спектр излучения, отражения, поглощения жидкостей и газов. ТВЧ нагрев проводников. СВЧ нагрев. Оптический нагрев. Оптическая ионизация. Ультразвуковой нагрев. Термолюминесценция. Сонолюминесценция. Фотогальваническое явление. Другие явления.



4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА КУРСА

Арифметическая и геометрическая прогрессии. Пределы. Производная. Первообразная. Интеграл. "Замечательные пределы". Приближение функций их "асимптотами". Основы теории вероятности. Понятие о распределении. Основные параметры функции распределения. Распределение Гаусса. Закон больших чисел. Понятие о центральной предельной теореме Ляпунова. Методы решения неособенных систем линейных алгебраических уравнений. Методы решения некоторых видов нелинейных алгебраических уравнений. Решение простейших дифференциальных уравнений. Особенные системы, невязка, критерий наименьших квадратов, энтропия, критерий максимума энтропии, обусловленность, жёсткость. Некоторые методы решения особенных систем уравнений. Основы статистического анализа. Решение простейших интегральных и интегродифференциальных уравнений.

5. ОБЩЕСТВЕННЫЕ И ЮРИДИЧЕСКИЕ ОБСТОЯТЕЛЬСТВА

Авторское право. Открытие, произведение искусства, промышленно применимые новшества. Дискуссия о целесообразности и мере собственности. Имущественное право. Промышленная собственность. Международное и отечественное законодательство. Автор, заявитель, патентовладелец. Авторское свидетельство, патент. Лицензия, лицензиар, лицензиат. Виды лицензий. Аналог, прототип. Новизна, первенство (приоритет), разновидности новизны. Охраноспособность. Полезность, промышленная применимость, патентоспособность. Открытие, алгоритм, произведение литературы или иного искусства, программа, база данных, топология микросхемы, изобретение, полезная модель, промышленный образец, вещество, биологический (генетический) объект, применение по новому назначению, товарный знак, знак обслуживания, виды секретов (тайн). Ответственность за нарушение прав автора.  Ответственность за нарушение прав патентовладельца. Некоторые понятия из гражданского и уголовного законодательства. Законодательная ответственность за нарушение общественных интересов. Управление. "Теория управления" – методы математики и физических исследований в управлении обществом и любым другим объектом.

6. ДИСКУССИЯ О ПРАКТИКЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВА

Математика как язык науки; физика и "другие естественные науки" как направления науки как единого целого. Искусства. Философия, язык, "протонаука", "преднаука", наука. Общественные "прото- и пред-науки" и искусства: история, экономика, психология, обществоведение (социология), юриспруденция, политика. Соотношение интересов биологического вида, общества, личности. Кратко о "теории познания" (по С.В.Илларионову и др.). Структура АРИЗ (ТРИЗ) Г.С.Альтшуллера. Патентный поиск. Основы финансового анализа. Поиск вложений (инвестиций). Протокол патентования. Практика докладов, публикаций, выставок. Особенности международных выставок. О способах предупреждения организационных неувязок, дезинформации, озорства (хулиганства). О случаях шпионажа, саботажа и диверсий (вредительства), угроз и вымогательства (шантажа), о провокациях. Действующее мировое и отечественное законодательство и некоторая практика его применения. Договоры. Финансовый процесс. Разрешительный процесс. Организация изучения потребностей, производства и сбыта. Распределение видов вознаграждений и несение видов ответственности. Виды управления. Цели деятельности.

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

№ Тема Лекционных часов Реше-ние задач Лабо-ратор-ных Само-стоя-тель-ное чтение, реше-ние и твор-чество

1 Некоторые сведения из общей физики 10 4 4 10
2 Некоторые сведения и явления из физики твёрдого тела и коллекция симметричных явлений 16 6 4 10
3 Лабораторная техника и методы 4 2 6
4 Исследование и применение термоэлектрических явлений 12 6 16 10
5 Исследование и применение фотоэлектрических явлений 2 4 6
6 Исследование и применение фото-электро-термических явлений 2 2 4
7 Математические средства курса и математические методы обработки экспериментальных данных 8 6 10 10
8 Общественные и юридические обстоятельства 4 0 0 10
9 Дискуссия о практике исследований и изобретательства 2 0 0 10
ВСЕГО 60 30 50 60


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, РЕКОМЕНДУЕМОЙ УЧАЩИМСЯ

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество и магнетизм
3. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы.
4. Матвеев. Термодинамика и молекулярная физика.
5. Гнеденко, Хинчин. Элементарное введение в теорию вероятностей.
6. Физический энциклопедический словарь.
7. Гольдин Л.Л., Игошин Ф.Ф., Козел С.М. и др. Лабораторные занятия по физике.
8. Мигдал А.Б. Квантовая физика для больших и маленьких. Сер. "Библиотечка Квант", вып.75.
9. Ципенюк. Физические основы сверхпроводимости.
10. Гольдин, Новикова. Введение в квантовую физику.

ФОРМЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ УЧАЩИХСЯ

1. Чтение рекомендованной литературы, журналов, а также поиск в Internet.
2. Решение домашних задач.
3. Конструирование лабораторных устройств.
4. Составление отчётов об исследованиях, подготовка плакатов, докладов.

ФОРМЫ ПРОВЕРКИ УСВОЕНИЯ СПЕЦКУРСА

1. Устный опрос.
2. Решение задач.
3. Проверка выполнения лабораторных заданий.
4. Защита отчётов о выполненных конструкциях и исследованиях.

(1998 г.)