《材料物理》 课程教学大纲Word格式.docx
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1.4掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题的工程检测与控制基础知识。
1.5系统掌握了专业知识，能够将所学知识用于解决材料科学与工程复杂问题。
课程目标1、课程目标2、课程目标3
毕业要求2：
问题分析
能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。
2.1能够应用工程数学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。
如：
复杂的模具失效分析。
2.2能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。
物理综合实验。
2.3能够应用力学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。
工程力学综合实验。
2.4能够应用工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。
毕业要求3：
设计/开发解决方案
能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等因素。
3.1了解机械工程、材料科学与工程问题特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。
3.2在考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等制约因素的前提下，能够设计（开发）针对复杂材料科学与工程问题的解决方案，具备设计（开发）满足特定材料科学与工程需求的系统、单元（部件）或工艺流程的能力。
3.3在设计（开发）过程中，具有追求材料科学与工程复杂问题创新解决的态度和意识，掌握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。
课程目标3
毕业要求4：
研究
能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。
4.1掌握材料科学原理及特点，能够采用科学方法，具备合理设计材料科学与工程复杂实验、开展科学研究的能力。
4.2掌握材料科学与工程原理及主要工艺，能够采用科学方法，正确构建并实施材料科学与工程综合实验，得出正确结果的能力。
课程目标1和课程目标2
4.3能正确使用和处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的材料科学与工程实验结果进行正确分析能力。
4.4了解常见的材料科学与工程常用设备、实验仪器及实验方法，具备调控设备及仪器参数，进行测控和维护的能力。
毕业要求5：
使用现代工具
能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。
5.1掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
5.2了解材料科学与工程专业重要资料来源及获取方法。
5.3具备应用各类文献、信息及资料进行复杂材料科学与工程实践的能力。
5.4掌握复杂材料科学与工程问题的预测与模拟方法，理解其局限性。
课程目标2和课程目标3
毕业要求6：
工程与社会
能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。
6.1了解与工程相关的国家方针、政策与法律法规，能够评价工程实践对社会、健康、安全、法律以及文化的影响。
6.2了解材料科学与工程专业特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价复杂材料科学与工程问题解决方案的优劣。
6.3能正确认识材料科学与工程各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能够承担的相应工程和社会责任。
毕业要求7：
环境和可持续发展
能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。
7.1了解材料科学与工程的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。
课程目标1,课程目标3
7.2能正确理解和评价材料科学与工程复杂问题实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。
7.3在解决复杂的材料科学与工程的实际问题中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社会可持续发展的影响。
毕业要求8：
职业规范
具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。
8.1具有人文社会科学素养，理解世界观、人生观的基本意义及其影响。
8.2了解中国国情，理解中国可持续科学发展道路以及个人的做人规范，具有较高的社会责任感。
8.3在工程实践中，理解工程师的职业性质、职业责任,具备工程师的职业道德
8.4具有健康的体质和良好的心理素质，能较好地履行责任。
毕业要求9：
个人和团队
能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。
9.1具备较宽广的本学科基础知识和较高的个人素质，能够在多学科背景下，承担个人及团队成员的作用。
9.2具备良好的团队协作精神，善于和团队其它成员协作、互补、交往。
9.3能够承担团队负责人角色，具备综合团队成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。
毕业要求10：
沟通
能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。
10.1较好地掌握了一门外语，了解不同文化的差异，具有一定的跨文化交流能力。
10.2了解本专业领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。
10.3能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专业工程问题进行有效沟通和交流。
毕业要求11：
项目管理
理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。
11.1了解材料科学工程管理和经济决策的基本知识，理解并掌握工程管理原理与经济决策方法。
11.2具备应用工程管理和经济决策知识实践的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己的想法。
11.3具有较强的综合归纳能力，能在多学科环境中加于应用。
毕业要求12：
终身学习
具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。
12.1对终身学习的重要性，有自觉的意识和正确的认识。
12.2能够采用合适的方法，自我学习、提高的能力。
12.3能够适应社会进步与发展，与时代同步。
七、教学重点与难点：
教学重点：
影响材料物理性质的基本理论。
晶体结合、能带论、晶格振动与热学性质、材料的磁性
教学难点：
能带论、材料的磁性、材料的介电性、超导电性
八、教学方法与手段：
教学方法：
（1）以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;
（2）从材料的物理性质及物理现象为引导、探讨产生光、电、磁的材料物理本质，掌握重要的理论。
。
教学手段：
（1）运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观;
（2）强调研究思路的创新过程，注重理论与实践相结合。
每一个基本理论学习介绍后再增加介绍其带来新功能材料与器件的研究突破，引导学生的学习兴趣。
九、教学内容与学时安排
（1）总体安排
教学内容与学时的总体安排，如表2所示。
表2基本教学内容与学时安排
序号
课程内容
课堂（学习、讨论）学时
课外（准备、复试、实践）学时
绪论
2
1
晶体结构
4
晶体结合
3
能带论
8
晶格振动与热学性质
6
5
材料的导电性
固体的磁性
7
材料的光学与介电性
（2）具体内容
各章节的具体内容如下：
绪论（2h）
第一章晶体结构（4h）
1.1晶格的周期性
1.2晶格的对称性
1.3倒格子
1.4准晶
第二章晶体结合（4h）
2.1晶体结合的普遍描述
2.2晶体结合的基本类型及特性
2.3晶体结合类型与原子的负电性
第三章能带理论（8h）
3.1经典电子论
3.2布洛赫定理
3.3能带论
3.4费米-狄拉克分布
3.5应用举例
第四章晶格振动与热学性质（6h）
4.1一维晶格振动
4.2三维晶格振动
4.3晶格振动的长波分析
4.4晶格热容
4.5晶格的热膨胀
4.6晶体的热传导
第五章材料的导电性（6h）
5.1金属材料的导电性
5.2半导体材料的导电性
5.3固体电解质材料的导电性
5.4材料的超导电性
第六固体的磁性（6h）
6.1材料的磁现象
6.2材料磁性的物理本质
6.3抗磁性
6.4顺磁性
6.5金属材料的抗磁性与顺磁性
6.6铁磁性
6.7磁畴与技术磁化
6.8反铁磁性和亚铁磁性
6.9磁性材料应用
第七章材料的光学性能与介电性能（4h）
7.1活跃的材料材料的光学与介电性
7.2材料的极化
7.3材料的压电性
7.4介电常数与电容
7.5耗散与介电损耗
7.6折射与反射
7.7吸收、透射与散射
7.7激光与激光材料
7.8光的传输与光纤材料
（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求
思考题（课后作业）：
第1章思考题与作业题：
1、对于六角密积结构，固体物理学原胞基矢为
1）原胞体积2）试求倒格子基矢。
2、矢量
，
构成简单正交系。
证明晶面族
的面间距为
3、用钯靶
X射线投射到NaCl晶体上，测得其一级反射的掠射角为5.9°
，已知NaCl晶胞中Na＋与Cl－的距离为2.82×
10-10m，晶体密度为2.16g/cm3。
求：
（1）X射线的波长；
（2）阿伏加德罗常数。
4.一个物体或体系的对称性高低如何判断？
有何物理意义？
一个正八面体（见图1.）有哪些对称操作？
图1正八面体
5、证明倒格矢Kh与正格中晶面族（h1h2h3）垂直.
第2章思考题（作业题）：
1、计算NaCl晶胞从（1,1,1）扩至（2,2,2）的马德龙常数
2、.有一晶体，在平衡时的体积为
，原子之间总的相互作用能为
，如果原子间相互作用能由下式给出：
试证明弹性模量可由
给出。
提示：
原子间总结合能为
，体积
3、.上题表示的相互作用能公式中，若
，且两原子构成稳定分子时间距为
m，离解能为4eV，试计算
和
之值。
4、如果NaCl结构中离子的电荷增加一倍，晶体的结合能及离子间的平衡距离将发生多大的变化？
5、NaCl晶体的体弹模量为2.4×
1010Pa，在2×
109Pa的气压作用下，晶体中两相邻离子间的距离将缩小百分之几？
6、计算GaAs和氧化铝\氮化铝中离子键的比例。
7、对线型离子晶体，在一条直线链上交替地载有电荷±
q的2N个离子，最近邻之间的排斥势能为
（1）试证在平衡间距下
（2）令晶体被压缩，使
，试证在晶体被压缩单位长度的过程中，（外力）所做功的主项为
，其中
8.原子结合成晶体时，原子的价电子将重新分布，从而产生不同的结合力。
分析各类晶体中决定结合类型的主要结合力。
第3章思考题：
1.布洛赫电子论作了哪些基本近似？
它与金属自由电子论相比有哪些改进？
2、能带论的出发点是什么？
为什么固体可分为导体、半导体和绝缘体？
3、.一维周期场中电子的波函数
应当满足布洛赫定理。
若晶格常数为
，电子的波函数为
（1）
；
（2）
4、.证明正方格子第一布里渊区的角隅处的一个自由电子的动能，比该区侧面中点处的电子动能大1倍。
对三维简单立方晶格，其相应的倍数是多少？
5、.一矩形晶格，原胞边长
（1）画出倒格子图；
（2）画出第一布里渊区和第二布里渊区；
6..已知一维晶体的电子能带可写成：
式中
是晶格常数。
试求
（1）能带的宽度；
（2）电子在波矢
的状态时的速度；
（3）能带底部和顶部电子的有效质量。
第4章思考题（作业题）
1．晶格振动对晶体起哪些影响作用？
2．采用周期性边界条件的根据是什么？
它揭示了振动状态的哪些特点？
3.分析简正坐标和简正振动在讨论晶格振动问题中所起的作用。
4.声子是否为真实粒子？
在热平衡条件下的晶体中说声子从一处跑到另一处有无意义？
声子可以有多少种？
为什么说声子是玻色子？
5分析德拜温度的物理意义；
分析低温下晶格定容比热容CV∝T3定律的物理模型。
6.简单说明严格谐振动晶格不会热膨胀的原因。
7设一维双原子链最近邻原了间的力常数交错地分别为β和10β，两种原子质量相等并且最近邻间距为a/2。
试求在q=0和q=π/a处的ω（a），并大致画出色散关系曲线。
本题可模拟双原子晶体（如H2晶体等）。
8.对于NaCl晶体，已知其恢复力常数β=1.5×
104dyn/cm。
试求NaCl晶体中格波光学支的最高频率和最低频率以及声学支的最高频率。
已知Na和Cl的原子量分别为23和35.5,每摩尔的原子数为6.024×
1023。
9对NaCl晶体，测知其密度ρ=2.18g/cm3,正负离子的平衡距离α=2.81×
10-10m,格波光学支的最高频率为3.6×
1013（rad/s）,试以一维双原子晶链模型计算：
（1）NaCl的恢复力常数β；
（2）长声学波的波速；
（3）NaCl的弹性模量。
1023，且由弹性波理论得到波速υ=（弹性模量/介质密度）1/2=[E/ρ]1/2.
10已知NaCl晶体平均每对离子的相互作用能为
其中马德隆常数
，平衡离子间距
（1）试求离子在平衡位置附近的振动频率。
（2）计算与该频率相当的电磁波的滤长，并与NaCl红外吸收频率的测量值61μm进行比较。
第5章思考题（作业题）：
1．试分析金属、半导体和绝缘体的导电机理
2．金属的导热性和导电性有什么联系？
3．根据Wiedmann-Frans定律计算Mg在400℃的导热系数K，已知Mg在0℃的电阻率
，电阻温度系数
℃。
4．一块n型硅半导体，其施主浓度
，本征费米能级
在禁带正中，费米能级
在
之上
处，设施主电离能
，试计算在
时，施主能级上的电子浓度。
5．一块n型硅材料，掺有施主浓度
，在室温（
）时本征载流子浓度
，求此时该块半导体材料的多数载流子浓度和少数载流子浓度。
6．一硅半导体含有施主杂质浓度
，和受主杂质浓度
，求在
时（
）的电子和空穴浓度以及费米能级位置。
7．设锗中施主的电离能
eV，在室温下导带底有效状态密度
，若以施主杂质电离90%作为强电离的标准，试计算在室温（
）时保持杂质饱和电离的施主杂质浓度范围。
8．设硅中施主杂质电离能
，施主杂质浓度
，以施主杂质电离90%作为达到强电离的最低标准，试计算保持饱和杂质电离的温度范围。
9．实验得到一离子型电导材料的电导率与温度具有如下关系：
（1）试求在测量温度范围内的电导活化能的表达式；
（2）若已知
时，
试计算出导活化能的数值。
第6章思考题（作业题）：
1．垂直板面方向磁化的大薄片磁性材料，去掉磁化场后的磁极化强度是
，试计算板中心的退磁场大小。
2．试证明拉莫（Larmor）进动频率
3．退磁因子与哪些因素有关？
试计算下列情况的N值：
（1）被磁化的球形磁体；
（2）垂直于轴线方向磁化的细长圆形磁棒；
（3）平行平面磁化的无限大薄圆形磁片。
4．何谓轨道角动量猝灭现象？
5．推导居里-外斯定律
，说明磁化率与温度的关系。
6．自发磁化的物理本质是什么？
材料具有铁磁性的充要条件是什么？
7*．超交换作用有哪些类型？
为什么A—B类型的作用最强？
8．论述各类磁性的
的相互关系。
9．比较铁磁体中五种能量的下列关系：
（1）数学表达式；
（2）来源和物理意义；
（3）对磁矩取向的作用。
10．用能量的观点说明铁磁体内形成磁畴的原因。
第7章思考题与习题
1、材料的极化机制有哪些？
其各自的响应频率范围是多少？
2、解释微波炉的加热原理。
能否加热金属？
3、激光产生的原理是什么？
4、光纤通信的基本原理是什么？
5、陶瓷材料透光的原因是什么？
讨论（思考题及作业）要求：
1、每章节学习结束后，学生都要按上课教师的具体要求以书面的形式做一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按约20%计入课程总成绩）。
2、平时课堂提问与讨论及平时出勤情况折合10%的成绩计入。
十、教材及参考书
1、《材料物理》讲义，胡树兵编，华中科技大学出版社，2014年
参考书：
2、黄昆原著、韩汝琦改编，固体物理学，北京，高等教育出版社，1988年10月第1版
3、陈长乐，固体物理学，西北工业大学出版社，1998年6月第1版
十一、课程成绩评定与记载
1、课程考核及评价细则
课程考核及评价细则，详见表3。
表3课程考核及评价细则
成绩组成
考核/评价环节
分值
考核/评价细则
对应的教学目标
平时成绩
30%
上课表现
10
根据学生平时上课的出勤率、课堂表现及互动情况，视其对课程学习的态度及积极程度，按10%计入课程总成绩。
1、2、3、
平时作业
20
根据学生的课后作业的完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，最后按20%计入课程总成绩。
1,2
考试成绩
70%
考试的卷面分数
70
主要考核晶体结合、能带论、晶格振动与热学性质、材料导电性、材料磁性，以卷面成绩的70%计入总成绩。
2、终结性考试形式：
闭卷，以卷面成绩的70%计入总成绩。
大纲制定：
《材料物理》课程组
审核：
材料科学与工程学院本科教学指导委员会
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