固体物理 教学

创新教育　垫　Ｑ：！　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖｅｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　

固体物理学教学的一些探索①②　

常旭　（商丘师范学院物理与电气信息学院河南商丘４７６０００）　

摘　要：固体物理学既是当今物理学领域中最重要的学科之一，也是许多新学科的基础．该文从教学目标．教学内容和教学手段等几个方面进行　了探索和实践，总结出了“抓主线，选内容，重前沿，讲方法”的改革措施，期望对人才培养和学科建设起到一定的推动作用。　

关键词：固体物理学　教学改革教学实践　

中图分类号：Ｇ４６２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４一ｏ９８ｘ（２０ｌ３）０５（ｂ）一０ｌ４３—０２　

固体物理学是研究固体的结构及其组　

成粒子之间相互作用与运动规律以及阐明　

其性能与用途的学科”　。从学科结构和内容　

上看，该课程内容基于普通物理学、高等数　

学、线性代数、量子力学、热力学统计物理　

等课程，主要讲述晶体结构、晶体结合、晶　

格振动和能带理论等方面知识。它既是当　

今物理学领域中最重要的学科之一，也是　

许多新学科的基础。由该学科发展起来的　

基本概念、基本理论和实验技术，已向其他　

相邻学科领域渗透，并促进其他学科的发　

展　。如：金属物理、半导体物理、磁学、低　

温物理、电介质物理、表面物理、非晶态物　

理、材料科学等。几十年来，以固体物理的　

理论为基础，在半导体、磁学、激光、超导、　

纳米材料等现代技术研究方面取得了重要　

突破。随着科学技术的发展，固体物理课程　

的教学在新的历史条件下已面临前所未有　

的挑战，碰到了许多难以回避的新问题、新　

情况。传统的固体物理教学内容对固体物　

理前沿的新成果、新概念介绍得不够，且传　

统的教学方法单一，不利于学生解决问题　

的能力及创新能力的培养。为了适应精英教　

育、构建研究型大学人才培养的需要，固体　

物理学的教学改革十分必要。因此，笔者结　

合自己在学习和讲授固体物理学过程中的　

感想，针对教学目标、教学内容和教学方法　

《固体物理》基本概念和知识点

第一章基本概念和知识点

1) 什么是晶体、非晶体和多晶？ (□)

□晶面有规则、对称配置的固体，具有长程有序特点的固体称为晶体；在凝结过程屮不经过结晶(即 有序化)的阶段，原子的排列为长程无序的固体称为非晶体。由许许多多个大小在微米量级的晶粒 组成的固体，称为多晶。

2) 什么是原胞和晶胞？ (0)

□原胞是最小的晶格重复单元，不考虑对称性，原胞只包含1个原子；从对称性的角度，选取几倍 于原胞大小的重复单元，称为品胞，一个品胞中有大于2个以上的原子。

3) 晶体共有几种晶系和布喇菲格子？ (□)

□按结构划分，晶体可分为7大晶系，共14布喇菲格子。

4) 立方晶系有几种布喇菲格子？画出相应的格子。(□)

□立方晶系有简单立方、体心立方和面心立方三种布喇菲格子。

5) 什么是简单晶格和复式格子？分别举3个简单晶格和复式晶格的例子。(□)

0简单晶格中，一个原胞只包含一个原子，所有的原子在儿何位置和化学性质上是完全等价的。 复式格子则包含两种或两种以上的等价原子，不同等价原子各自构成相同的简单晶格(子晶格)，复 式格子由它们的子晶格相套而成。

Au、Ag和Cu具有面心立方晶格结构，碱金属Li、Na. K为体心立方结构，它们均为简单晶格。 NaCK

CsCl、ZnS以及具有金刚石结构的Si、Ge等均为复式格子。

6) 钛酸顿是由几个何种简单晶格穿套形成的？ (□)

□ BaTiO.在立方体的项角上是锲(Ba),钛(Ti)位于体心,面心上是三组氧(0)。三组氧(01, OIL 0111)周围的情况各不相同，整个晶格是由Ba、Ti和01、OIL 0111各自组成的简立方结构子 晶格(共5个)套构而成的。

7) 为什么金刚石是复式格子？金刚石原胞中有几个原子？晶胞中有几个原子？ (□)

□金刚石中有两种等价的C原子，即立方体中的8个顶角和6个面的中心的原子等价，体对角线 1/4处的C原子等价。金刚石结构由两套完全等价的面心立方格子穿套构成。金刚石属于面心立方 格子，原胞中有2个C原子，单胞中有8个C原子。 第二章基本概念和知识点

- 1 - 《固体物理学》教学大纲

（适用于本科物理学专业）

课程编码：140613040

学时：64 学分：4

开课学期：第七学期

课程类型：专业必修课

先修课程：理论力学，电动力学，热力学与统计物理，量子力学

教学手段：多媒体

一、教学目的与任务：

本课程是物理学专业本科生的专业选修课。通过本课程的学习，使学生了解固体物理学发展的基本情况，以及固体物理学对于近代物理和近代科技的发展起的作用，培养学生的科学素质和科学精神；了解固体物理所研究的基本内容和固体物理研究前沿领域的概况，培养学生的现代意识和科学远见；掌握固体物理学的基本概念和基本规律，培养掌握科学知识的方法；掌握应用固体物理学理论分析和处理问题的手段和方法，培养科学研究的方法。

二、课程的基本内容：

1.晶体的结构

2.固体的结合

3.晶格振动与晶体的热学性质

4.能带理论

5.晶体中电子在电场和磁场中的运动

6.金属电子论

三、课程的教学要求：

（1）掌握晶体的空间点阵，晶体基矢的表达，倒易点阵，晶面、晶向的概念以及正点阵和倒易点阵的关系。

（2）掌握晶体的结合类型和结合性质。 - 2 - （3）掌握一维晶体振动模式的色散关系，晶格振动的量子化、声子的概念。爱因斯坦模型和德拜模型解释固体的比热性质。

（4）掌握自由电子气的概念，自由电子气的费密能量，布洛赫波以及自由电子模型。

（5）掌握布里渊区的概念以及近自由电子近似和紧束缚近似方法计算能带的理论。

（6）了解晶体的对称操作类型，了解非谐效应，确定振动谱的实验方法以及晶格的自由能。

（7）了解金属中电子气的热容量，金属、半导体、绝缘体以及空穴的概念。

四、课程学时分配：

第一章 晶体结构(8学时)

【教学目的】

通过本章的教学，使学生了解晶格结构的一些实例；理解和掌握晶体结构的周期性特征及其描述方法；理解和掌握晶体结构的对称性特征及其描述方法；理解和掌握倒格子的定义及其与正格子的关系。

固体物理课程教学大纲

一、课程目标

本课程旨在帮助学生全面理解和掌握固体物理学的基本概念、原理和方法，培养学生在实际问题中运用固体物理知识进行分析和解决问题的能力。

二、课程内容

1. 固体物理学的基本概念

1.1 固体物质的结构特点

1.2 离子晶体、金属晶体和共价晶体的结构及其特征

1.3 各种晶格结构的几何和物理性质

2. 固体物理的热学性质

2.1 热传导及固体的热导率

2.2 固体的热膨胀及其应用

2.3 热容与固体热力学性质

2.4 固体的热导电和热辐射现象及其应用

3. 固体物理的电学性质

3.1 电导率与导体的性质

3.2 半导体物理学基础 3.3 超导体的基本原理和应用

3.4 介电材料的特性和应用

4. 固体物理的光学性质

4.1 固体的吸收、散射和透射

4.2 衍射和干涉现象及其应用

4.3 光导纤维和光波导的原理和应用

5. 固体物理的量子力学性质

5.1 电子能带理论和晶体中的能带结构

5.2 固体中的声子和声子态密度

5.3 固体中的磁性和费米液体理论

6. 固体物理的其他专题

6.1 固体中的输运现象与能带理论

6.2 固体材料的结构调控与性能优化

6.3 纳米材料与纳米结构的物理特性

6.4 固体物理在材料科学和工程中的应用

三、教学方法

1. 理论授课：通过演示、图例和实例解释固体物理学的基本概念和原理，让学生掌握科学的基本理论知识。 2. 实验教学：设计相关的实验，让学生亲自操作、观察和分析实验现象，培养学生实验动手和思维的能力。

3. 讨论与互动：组织学生讨论、合作和演示，提升学生的团队合作和表达能力。

4. 综合案例分析：引导学生关注固体物理学在实际问题中的应用，进行实际案例分析和解决方案的探讨。

四、考核方式

1. 平时表现：包括课堂参与、作业提交和实验报告等。