Physics with foundation year BSc (Hons)

Aberystwyth University

Въвежда се понятието електрически заряд и се обясняват електрическата сила, полето и потенциалът от гледна точка на закона на Кулон с нагледни примери. Разглежда се потокът на заряда и се стига до закона на Ом и понятието за съпротивление. Разглеждат се кондензаторите и резисторите и се дават примери за тяхното използване в електрическите веригиһттр://.

Този модул по лабораторна физика е въведение в експерименталната физика. Акцентът е поставен върху обучението на учениците да използват основни инструменти, да извършват прости изчисления на грешки и да оценяват критично резултатите, за да правят надеждни заключения. Експериментите са разработени така, че да отразяват теоретичните теми, разглеждани в други модули - следователно експериментите обхващат свойствата на материята, силите и механиката, както и други области на основната физика. Уменията за представяне се развиват в контекста на експериментитеһттр://.

Този модул запознава ученика с някои от основните математически инструменти, които обикновено се използват във физическите науки. Обхванатите теми включват алгабраични техники, логаритми, тригонометрия, въведение във вектори, комплексни числа и диференциране. Особено внимание се обръща на използването на математически техники за решаване на физични проблемиһттр://.

Вторият модул по теоретични методи запознава ученика с повече от основните математически инструменти, които обикновено се използват във физическите науки, и развива някои от темите, използвани в първия модул. Обхванатите теми включват техники за диференциране и приложения, интегриране и някои от приложенията му във физиката и задачи за скорост на изменение, последователности, редове и матрици. Особено внимание се отделя на използването на математически техники за решаване на физични проблемиһттр://.

Този модул има за цел да осигури разбиране на простите осцилационни и вълнови движения. В учебната програма се разглежда простото хармонично движение и приложението му във физичните системи. Обсъждането на вълните обхваща проста математическа обработка на разпространението и ефектите на вълните. Набляга се на развиването на умения за решаване на проблеми в тези области. Въвеждат се вълнови явления, включително интерференция и дифракцияһттр://.

Материята се състои от атоми и молекули в твърда, течна или газова фаза. Първоначално се разглеждат структурата и големината на атомите - протони, неутрони и електрони. Количествена оценка на енергията и йонизационния потенциал. Обсъжда се структурата на молекулите, като се акцентира върху видовете връзки между атомите и молекулите. След това се разглежда влиянието на температурата върху свойствата на веществата. Поведение на твърдите тела, подложени на напрежение и деформация. Простият модел на идеален газ като съвкупност от твърди сфери води до разбиране на транспортните свойства на газовете и отклоненията от идеалното поведение. Свойствата на газовете се разглеждат от гледна точка на първия закон на термодинамикатаһттр://.

Този модул изследва успеха на Нютоновата физика при обяснението на света около нас - от поведението на газовете до орбитите на планетите. Започвайки от крайъгълния камък на трите закона на Нютон, модулът преминава към разглеждане на взаимодействието на силите и материалните обекти и въвежда концепцията за централно силово поле. Обхванатите теми включват: закони за запазване, ротационно движение, гравитационни полета и потенциал, снаряди и междумолекулни сили, кинетична теория на газовете и качествено описание на природата на 4-те фундаментални силиһттр://.

Енергията е жизненоважен ресурс в нашето общество. Нейното използване и злоупотреба с нея се отразява на околната среда, а тези проблеми напоследък придобиха драматични размери. В този модул се разглежда фундаменталната физика, която стои зад енергийните ресурси, както конвенционални, така и алтернативни, за да се осигури балансиран поглед върху последиците за околната среда. В този подход се проявява интердисциплинарният характер на предмета, а модулът поставя специален акцент върху моделирането на промените в атмосферата - включително парниковия ефект. Модулът е подходящ за студенти от всички специалности.

Този модул обхваща основната алгебра, необходима за количественото изучаване на физични понятия и процеси. Въвеждат се и обикновени диференциални уравнения, които са в основата на теми като акустика и квантова механикаһттр://.

Целта на този модул е да се изучат ситуации, в които функциите на няколко променливи възникват естествено в математиката. Линейните функции водят до техники за решаване на линейни уравнения и елементарна теория на матриците. Нелинейните функции водят до изучаване на частичните производни и множествените интегралиһттр://.

След успешното завършване на този модул студентите трябва да могат да: да скицират графиките на прости функции; да пресмятат границите на функции с реална стойност; да определят дали дадени функции са непрекъснати или не; да обясняват идеята за производна и да пресмятат производни от първи принципи; да обясняват понятието обратна функция; да извеждат формулите за производни на произведения и кванти на функции; да пресмятат производни на функции; да определят локалните максимуми и минимуми на функции и техните точки на огъване; да пресмятат интеграли по методите на заместване и интегриране по части; да пресмятат интеграли на рационални функции и тригонометрични функции.

Модулът представлява въведение в класическата теория на динамиката. Той се състои от три основни части, след кратко обобщение на манипулирането с вектори. Първата част обхваща класическата кинематика, законите за движение на Нютон, импулс, сили, работа и механична енергия. Втората част въвежда ротационното движение и илюстрира паралелите с транслационното движение. В третата част се въвежда теорията на трептенията, като се разглеждат класическият хармоничен осцилатор, резонансът и свързаните осцилаториһттр://.

Компонентът топлинна физика на този модул разглежда процесите, свързани с превръщането на топлината в работа и обратно. Топлинните процеси могат да бъдат разбрани както в макроскопичен мащаб, така и на атомно ниво. Въвеждат се нулевият и първият закон на термодинамиката и понятията за топлина и работа, като се разглежда газовата система. Въвежда се микроскопичният подход на кинетичната теория. Оптиката е един от най-успешните клонове на класическата физика и намира приложение в цялата технология - от микроскопията до фотониката. В този курс се разглеждат основната теория на вълните, геометричната и физичната оптика. Разглеждат се приложенията им в съвременните технологииһттр://.

Експериментирането е основна част от процеса на физическите науки. Той ни позволява да разберем света около нас, да развиваме теории и да проверяваме тези теории. В този модул ще научите основните техники за провеждане на експерименти, извършване на измервания, отчитане на неопределеността на измерванията, анализиране на резултатите и сравняването им с теориятаһттр://.

Този модул запознава учениците с редица софтуерни пакети: софтуер за текстообработка, софтуер за презентации, електронни таблици и макропрограмиране. В него се използват идеи от математиката и физиката, за да се илюстрира използването на софтуера и уменията на работното място. В рамките на модула Службата за кариерно развитие предоставя програма за осъзнаване на уменията като насоки за подготовка на кандидатури за работа. Работейки в екипи, учениците проучват кариерите, предлагани на завършилите физика, и с помощта на въведения софтуер изготвят постер за своите открития. Учениците също така подготвят и изнасят кратка презентация по тема от областта на физиката на индивидуална основаһттр://.

В модула се разглеждат силите, произтичащи от гравитационното и електростатичното поле, и се описват с обратния квадратен закон с нагледни примери. Описани са и свързаните с тях полета и потенциали. Електрическият заряд и токът, магнитните полета и електромагнитната индукция се използват за описание на действието на електрическите вериги и свойствата на диелектричните и магнитните материали. Модулът обхваща и основните физични явления, които са в основата на атомната и ядрената физика и физиката на частицитеһттр://.

Квантовата теория е от съществено значение за описване на взаимодействието между материята и лъчението в атомен мащаб. Тя обаче представлява радикално отклонение от класическата физика. В този модул ще бъдат представени основните области, в които класическата и квантовата механика се различават, ще бъдат разгледани експерименталните доказателства и ще бъдат разработени основните принципи на квантовата механика. Специалната теория на относителността е друга област, която се отклонява от класическия подход на Нютоновата механика. Концепциите и основните уравнения на специалната относителност се въвеждат чрез обсъждане на ключови експериментиһттр://.

В модула се разглеждат физичните закони в областта на електричеството и магнетизма. Едната част е посветена на електричеството и включва електростатика и диелектрици, а другата част обхваща магнитни полета, магнитни материали и електромагнитна индукция. Разглеждат се електромагнитните гранични условия, които се прилагат на границата между две прости среди. Физическите закони се изразяват с диференциалните оператори на векторното смятане и се представят като уравнения на Максуелһттр://.

В този модул се развиват различни математически теории: векторен анализ, диференциални уравнения и анализ на Фурие. Те се прилагат за моделиране и решаване на задачи в широк набор от физични ситуации;електростатика, магнетизъм, гравитация, механика, термодинамика, физика на плазмата, физика на атмосферата и механика на флуидитеһттр://.

В модула се разглеждат вълновите свойства на светлината, включително интерференция, дифракция, разсейване и поляризация. Обсъжда се тяхното значение за работата на оптичните уреди, например за границата на разделителната способност на дадена оптична система. Дава се въведение в приложенията им в оптични инструменти и детектори, включително лазери, CCD, микроскопи и телескопи. Разглеждат се оптичните свойства на материалите и елипсометричният метод за тяхното изследванеһттр://.

Модулът е мост между лабораторните работи в първи курс и проектите в последния курс. Той дава възможност на учениците да се запознаят със средата на практическите изследвания по физика. Учениците ще се запознаят с уменията, необходими за проекта за последната година, и ще ги развият, като работят по разпределен проект в групи от четирима или петима души. Учениците ще развият разбиране за планиране и изпълнение на проекта, инструментална и компютърна техника, оценка на риска, търсене на литература, анализ и интерпретация на данни. Те ще представят работата си по проекта и резултатите от нея чрез плакат, устно представяне и официален докладһттр://.

Този модул с продължителност 10 кредита за 2. година въвежда стандартния подход към квантовата физика. Въвежда се концепцията за вълновата функция, както и зависимото от времето и независещото от времето уравнение на Шрегер и принципът на неопределеността. Въвеждаме формализма на квантовата механика, като започваме със системи със спин и половина и обобщаваме основните постулати. Подробно е решен проблемът за частица в кутия и е въведено описание на хармоничния осцилатор и централния потенциал (водороден атом)һттр://.

Измерването е съществена част от научния процес. Инструментариумът е технологията за измерване. В този модул студентите се запознават с основните принципи на измервателната техника, за да проектират измервателна система, която да отчита проблемите като точност, времева характеристика и шум на цялата система и нейната пригодност за конкретно измерванеһттр://.

След кратко обобщение на някои от основните идеи на термодинамиката, включително нулевия и първия закон на термодинамиката, този модул представя понятието ентропия и неговото статистическо значение, термодинамичните двигатели и хладилници, цикъла на Карно и втория и третия закон на термодинамиката. Въвеждат се термодинамичните потенциали и отношенията на Максуел, като се разглеждат и реалните газове и фазовите преходи. Въвеждат се понятията и техниките на статистическата механика, които се използват за свързване на микроскопичното поведение на материята с термодинамичните параметриһттр://.

Съществуват многобройни математически проблеми, които са или непрактични, или невъзможни за аналитично решаване и вместо това трябва да се решават от компютри с помощта на числени техники. Математическите техники са от съществено значение за физиката и следователно такива числени техники също са важни. През Семестър 1 този модул въвежда Python в по-широкия контекст на научния стек Python (научни библиотеки/разширения на основния език Python). След това въведение, през Семестър 2, този модул продължава да представя методи за числен анализ, моделиране и статистика. Прилагането на тези методи ще бъде постигнато чрез практически семинари.

Този курс представя физиката, която стои зад атомната, електронната и магнитната структура на материалите, динамиката на техните решетки и механичните и топлинните им свойства. Като се започне от описанията на кристалните структури, се въвеждат понятия като реципрочно пространство, енергийни ленти, колективен магнетизъм и фонониһттр://.

Курсът представя редица експериментални техники в областта на физиката на кондензираната материя, включително микроскопски техники като микроскопия със сканирана сонда и електронна микроскопия, както и техники за рентгеново и неутронно разсейване, обхващащи структури на атомно, нано- и микрометрично ниво, като се разширява от дифракцията до кристалографията. Модулът обхваща и дефектите в кристалната структура и произтичащите от тях свойства, включително дифузия на дефектиһттр://.

В този модул се разглеждат редица теми от съвременната оптика, като особена тема е как фотоните могат да заменят електроните като основни агенти за обработка на информация. В модула ще бъдат разгледани оптични източници (включително лазери в детайли), оптични влакна и вълноводи, нелинейни оптични ефекти, оптична модулация и обработка на сигнали, фотонни структури, холография и оптично съхранение.

В този модул физиката на полупроводниците, въведена в PH32410, ще бъде развита и приложена към полупроводникови устройства. Ще бъде разработена физиката на електронни и оптоелектронни устройства, включително нови структури, водещи до напредък в изследванията на полупроводниците. Модулът ще запознае учениците с технологията на производство и обработка на дискретни и интегрални полупроводникови прибориһттр://.

Този модул надгражда фундаменталната физика на кондензираната материя, разработена в PH32410, и запознава студентите с някои напреднали теми и текущи изследвания. Темите включват мека материя, свръхфлуидност, свръхпроводимост, наноматериали и фазови преходи. Технологичните приложения на функционалните материали, като органична електроника, тънкослойни фотоволтаици, превключваеми устройства и свръхпроводящи магнити, се представят заедно с физиката, която ги подкрепяһттр://.

Този модул с 20 кредита за трета година продължава развитието на квантовата физика, като разглежда стандартни ситуации на свързани състояния (водороден атом), състояния на разсейване и преминава към въведение във физиката на елементарните частици.