министерство образования и науки - Учебно

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
И.о. проректора-начальник
управления по научной работе
_______________________ Г.Ф. Ромашкина
__________ _____________ 2011 г.
ПРИКЛАДНАЯ РАДИОФИЗИКА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 01.04.03 Радиофизика
очной и заочной формы обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/Михеев В.А./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры радиофизики 29.08.2011года. Протокол № 1. Соответствует
требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 10 стр.
Зав. кафедрой _____________________________/Михеев В.А./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ ____.____.2011года. Протокол №____.
Соответствует ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура)
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/Глухих И.Н./
«______»___________ 2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Нач. отдела аспирантуры
и докторантуры _____________М.Р. Сорокина
«______»___________ 2011 г.
2011
0
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра радиофизики
Михеев В.А.
ПРИКЛАДНАЯ РАДИОФИЗИКА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для аспирантов специальности 01.04.03 Радиофизика
очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2011
1
Михеев В.А. Прикладная радиофизика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов специальности 01.04.03 Радиофизика очной и
заочной форм обучения. Тюмень, 2011, 10 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура).
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Прикладная радиофизика [электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой Радиофизики. Утверждено и.о. проректора-начальника управления по научной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой радиофизики Михеев
В.А. (согласно Инструкции о порядке утверждения УМКД ОПППО ГОУ ВПО «Тюменский государственный
университет», утвержденной приказом ректора от 02.07.2008 №618)
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Ф.И.О. автора, 2011.
2
1. Цели и задачи дисциплины:


Целью сформировать у аспирантов современное представление об основных понятиях и закономерностях электромагнитных полей, а также способам их излучения и распространения в пространстве.
Задачей дисциплины является изучение классических и современных методов расчета
электромагнитных полей.
1.1. Место дисциплины в структуре ОПППО.
Дисциплина «Прикладная радиофизика» является дисциплиной по выбору аспирантов
специальности 01.04.03 Радиофизика.
Содержание курса «Прикладная радиофизика» базируется на следующих дисциплинах, «Оптика», «Радиофизика», «Методы математической физики», «Электродинамика».
1.2. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
общекультурных:
– способность к овладению базовыми знаниями в области математики и естественных наук,
их использованию в профессиональной деятельности;
– способность самостоятельно приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии;
– способность к правильному использованию общенаучной и специальной терминологии;
профессиональных:
– способность использовать базовые теоретические знания (в том числе по дисциплинам
профилизации) для решения профессиональных задач;
– способность применять на практике базовые профессиональные навыки;
– способность понимать принципы работы и методы эксплуатации современной радиоэлектронной и оптической аппаратуры и оборудования;
– способность к профессиональному развитию и саморазвитию в области радиофизики и
электроники.
В области воспитания личности целью подготовки является формирование социальноличностных качеств аспирантов: целеустремленности, организованности, коммуникативности.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: математический аппарат теории волновых процессов;
законы распространения электромагнитных волн в различных средах;
Уметь:
самостоятельно решать типовые задачи теории излучения, распространения и приема волн;
 Владеть: приемами и навыками построения математических моделей волновых процессов
в различных областях естествознания.
Трудоемкость дисциплины.
Таблица 1
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
Всего
часов
130
72
20
Семестры
2
3
66
64
36
36
10
10
38
302
20
151
зачет
217
432
3
18
151
зачет
215
6
6
Таблица 2
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
4
Семестр 2
Введение. Цели и задачи дисциплины. История развития радиофизики.
Методы решения задач линейной теории волновых процессов
Электромагнитные
поля
в
сплошных средах
Электромагнитные волны в анизотропных средах
Электромагнитные волны в однородной изотропной плазме
Электромагнитные волны в холодной магнитоактивной плазме
Электромагнитные волны в неоднородных средах
Итого 2 семестр:
из них часов в интерактивной
форме
Семестр 3.
Поле излучателя в однородной
среде
Антенны.
Линейный источник в однородной среде
Тороидальный источник
Приложения. Слоистые среды
Итого 3семестр:
Из них часов в интерактивной
форме
Всего
5
самостоятельная работа*
3
2
семинарские
(практические)
занятия*
лабораторные
занятия*
лекции*
Тема
Всего часов
виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.
8
6
из них в интерактивной
Тематический план.
№
7
6
2
0
0
4
35
6
0
4
25
37
8
0
4
25
37
6
2
4
25
2
37
6
2
4
25
2
33
4
3
2
24
2
32
4
3
2
23
2
217
36
10
8
20
151
8
8
41
6
2
3
30
2
41
41
6
6
2
2
3
3
30
30
2
2
41
51
215
6
12
36
2
2
10
10
3
6
18
30
31
151
2
2
10
10
432
72
20
38
302
18
Формы контроля
12
форме
зач. ед.
8
зачет
зачет
Примечание: * - если предусмотрены учебным планом ОПППО.
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы аспирантов
№
Темы
Виды СРА
обязательные
дополнительные
2 Семестр
4
Объем часов
1.
1.1
2.
1.2
3.
1.3
4.
1.4
5.
1.5
6.
1.6
7.
1.7
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Подготовка реферата
Подготовка реферата
Подготовка реферата
Подготовка реферата
Подготовка контрольной работы
Подготовка контрольной работы
Изучение лекционного материала
Подготовка контрольной работы
ИТОГО 2 семестр:
4
25
25
25
25
24
23
151
3 Семестр
1.
2.1
2.
2.2
3.
2.3
4.
2.4
5.
2.5
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Изучение лекционного материала
Подготовка реферата
Подготовка реферата
Подготовка реферата
Подготовка контрольной работы
30
Изучение лекционного материала
Подготовка контрольной работы
31
ИТОГО 3 семестр:
30
30
30
151
302
ВСЕГО
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.
Работа над кандидатской диссертацией
5.
Темы дисциплины необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.1 –
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
1.7
+
+
+
+
+
+
Содержание дисциплины.
Тема 1.1
Введение. История. Физические поля и волны. Перенос волнами энергии и информации.
Теория волновых процессов и уравнения математической физики (уравнения потенциала,
теплопроводности, волновое уравнение и уравнение Клейна-Гордона). Монохроматические
поля. Комплексная форма записи монохроматического поля. Уравнение Гельмгольца. Плоские, цилиндрические и сферические монохроматические волны. Фазовая скорость. Энергетические характеристики волн.
Тема 1.2. Методы решения задач линейной теории волновых процессов
Принцип суперпозиции для линейных операторов. Постановка задач линейной теории
волн. Задача об излучении заданных источников, расположенных в ограниченной области
пространства. Условие излучения Зоммерфельда и принцип предельного поглощения. Применение преобразования Фурье для решения линейных уравнений математической физики.
5
Многократные преобразования Фурье как разложение физических полей по плоским волнам.
Дисперсионное уравнение. Начальная задача. Понятие о нормальных волнах в средах. Граничная задача. Функции Грина для основных уравнений математической физики и их связь с
преобразованиями Фурье. Групповая скорость.
Тема 1.3. Электромагнитные поля в сплошных средах
  

Электромагнитные поля E , B , H и D . Электрические токи свободных и связанных зарядов - токи проводимости, токи электрической поляризации атомов среды и токи намагничивания в среде. Уравнения Максвелла с полным током в среде и сторонними электрическими токами
Тема 1.4. Электромагнитные волны в анизотропных средах
Диэлектрическая проницаемость кристаллов. Плоские волны в анизотропной среде.
Уравнение Френеля. Оптические свойства одноосных и двухосных кристаллов. Поверхность
волновых векторов и лучевая поверхность. Эффект Керра.
Тема 1.5. Электромагнитные волны в однородной изотропной плазме
Введение в физику плазмы. Способы получения плазмы. Квазинейтральность плазмы.
Плазма в космическом пространстве, лабораторная плазма. Дебаевское экранирование электрических зарядов в плазме. Радиус Дебая. Определение плазмы. Квазигидродинамическое
описание плазмы. Комплексная диэлектрическая проницаемость холодной, изотропной
плазмы. Дисперсия волн. Плазменные колебания, ленгмюровская частота. Фазовая и групповая скорость. Затухание из-за соударений. Полное внутреннее отражение и глубина проникновения электромагнитного поля в плазму. Диагностика плазмы.
Тема 1.6. Электромагнитные волны в холодной магнитоактивной плазме
Роль магнитных полей в физике плазмы. Магнитные поля Земли и космических объектов. Тензор электропроводности и диэлектрической проницаемости плазмы. Анизотропия
магнитоактивных сред. Обыкновенные и необыкновенные нормальные волны в холодной
магнитоактивной плазме без соударений. Показатель преломления этих волн. Показатели
преломления и поляризация нормальных волн при их распространении вдоль, поперек и под
некоторым углом к направлению внешнего магнитного поля. Эффект Фарадея.
Тема 1.7 Электромагнитные волны в неоднородных средах
Волновые уравнения для слоистонеоднородных сред. Метод геометрической оптики и
ВКБ-приближение. Уравнение эйконала и переноса энергии излучения. Уравнение луча. Рефракция коротких волн в тропосфере и ионосфере Земли. Критическая частота. Естественные волноводы - звуковой канал в океане, волновод Земля-ионосфера.
Тема 2.1 Поле излучателя в однородной среде
Электромагнитные поля и волны в среде с постоянными  ,  и  . Скин-эффект. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Абсолютный комплексный показатель преломления однородной среды.
Тема 2.2 Антенны
Диполь Герца и его параметры. Магнитный диполь. Принцип взаимозаменяемости полей
электрических и магнитных токов. Элементарные электрическая и магнитная рамки. Влияние идеально проводящей неограниченной плоскости на излучение элементарных источников. Элементарный источник однонаправленного излучения. Элементарный турникетный
излучатель. Вибраторные антенны. Электрический вибратор. Интегральное уравнение Галлена для вибратора.
Тема 2.3 Линейный источник в однородной среде
Характеристика направленности идеального линейного излучателя. Режимы излучения
Ширина луча. Коэффициент направленного действия идеального линейного излучателя.
Влияние формы амплитудного распределения на параметры линейной антенны. Влияние фазовых искажений на параметры линейной антенны. Характеристика направленности равно6
мерной линейной антенной решетки. Побочные главные максимумы и способы их подавления. Коэффициент направленного действия линейной антенной решетки.
Тема 2.4 Тороидальный источник
Поле тороидальной антенны. Поле тороидальной антенны конечных размеров. Электромагнитное поле в дальней и ближней зоне.
Тема 2.5 Приложения. Слоистые среды
Электромагнитное поле в слоистых диэлектрических и проводящих средах. Решение
прямой и обратной задачи. Поле линейного кабеля в условиях анизотропии.
6.
Планы семинарских занятий.
Учебным планом ОПППО не предусмотрено.
7.
Темы лабораторных работ. (Лабораторный практикум)
1. Расчет диаграммы направленности излучения электрического диполя.
2. Расчет электромагнитного поля вблизи границы двух диэлектриков с разными диэлектрическими проницаемости.
3. Расчет дифракционной картины на плоской фазированной решетке.
4. Расчет электромагнитного поля вблизи проводящей среды.
8.
Примерная тематика курсовых работ.
Не предусмотрено учебным планом ОПППО.
9.
Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы аспирантов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Для самостоятельного изучения теоретического материала студентами используются
учебники и учебные пособия, приведённые в списке литературы интернет ресурсы свободного доступа.
Темы рефератов и контрольных работ
1. Современные методы генерации электромагнитных полей в пространстве.
2. Физические принципы передачи цифровой информации по оптическим, проводным и
воздушным линиям связи.
3. Линзовые антенны.
4. Зеркальные параболические антенны.
5. Облучатели зеркальных антенн. Разновидности зеркальных антенн.
6. Сканирующие антенные решетки. Общие свойства антенных решеток.
7. Фазированные антенные решетки.
8. Многолучевые антенные решетки.
9. Антенные решетки с частотным сканированием.
10. Коротковолновые антенны.
11. Антенны средних, длинных и сверхдлинных волн.
Примерные вопросы для зачета
1. Колебания и волны. Физические поля. Основные уравнения математической физики.
2. Плоская монохроматическая волна.
7
Комплексная форма записи гармонического поля. Уравнение Гельмгольца.
Цилиндрические и сферические монохроматические волны.
Принцип суперпозиции при решении линейных уравнений математической физики.
Постановка задачи об излучении заданных источников, расположенных в ограниченной области пространства. Условие излучения Зоммерфельда и принцип предельного
поглощения.
7. Применение преобразования Фурье для решения линейных уравнений математической физики.
8. Метод функций Грина.
9. Дисперсионное уравнение. Фазовая и групповая скорости.
10. Физические свойства тел. Потенциал Леннарда-Джонса. Гипотеза сплошной среды.
11. Уравнения Максвелла-Лоренца. Поляризация и намагничивание. Полный ток в среде.
12. Макроскопические электромагнитные поля и уравнения Максвелла. Граничные условия. Закон сохранения энергии для электромагнитных полей в вакууме.
13. Электромагнитные поля в однородной изотропной среде с постоянными значениями
,  и . Комплексная диэлектрическая проницаемость и показатель преломления.
14. Поляризация плоских электромагнитных волн. Коэффициент поляризации, эллипс
поляризации. Параметры Стокса и сфера Пуанкаре.
15. Плоские волны в анизотропной среде. Уравнение Френеля.
16. Оптические свойства одноосных кристаллов.
17. Оптические свойства двухосных кристаллов.
18. Поверхность волновых векторов и лучевая поверхность.
19. Эффект Керра.
20. Определение и основные свойства плазмы. Дебаевское экранирование.
21. Квазигидродинамическое описание плазмы. Комплексная диэлектрическая проницаемость холодной изотропной плазмы. Плазменная частота.
22. Электромагнитные поля в холодной изотропной плазме. Диагностика плазмы.
23. Волны в плазме с тепловым движением электронов. Слабая пространственная дисперсия.
24. Тензор диэлектрической проницаемости холодной магнитоактивной плазмы.
25. Вывод формул для показателей преломления в магнитоактивной плазме. Два типа
нормальных волн.
26. Дисперсионные кривые при распространении волн в плазме вдоль внешнего магнитного поля.
27. Дисперсионные кривые при распространении волн в плазме поперек внешнего магнитного поля.
28. Дисперсионные кривые при распространении волн в плазме под углом к внешнему
магнитному полю.
29. Эффект Фарадея.
30. Условия применимости геометрической оптики.
31. Уравнение эйконала и переноса энергии излучения. Уравнение луча.
32. Описание движения сплошной среды в переменных Эйлера и Лагранжа. Полная производная по времени.
33. Уравнение непрерывности в механике жидкости и газа.
34. Основное уравнение механики сплошной среды. Тензор внутренних напряжений.
35. Тензор скоростей деформаций. Теорема Гельмгольца.
36. Уравнение Навье-Стокса.
37. Проблема замкнутой системы уравнений механики жидкостей и газов.
38. Закон сохранения энергии в вязкой теплопроводной среде.
39. Полная система уравнений механики жидкостей и газов. Граничные условия.
40. Система уравнений линейной акустики и газодинамики в отсутствие вязкости и теплопроводности. Волновое уравнение. Скорость звука по Лапласу.
3.
4.
5.
6.
8
41. Поляризация и энергетические характеристики звуковых волн.
42. Звуковые волны в вязкой теплопроводной среде. Изотермическая скорость звука
Ньютона.
43. Излучение звука плоским осциллирующим поршнем.
44. Излучение звука радиально пульсирующей упругой сферой: постановка задачи и
формулы для полей р и Vr.
45. Интенсивность и мощность излучения акустического монополя. Сила реакции излучения звука. Присоединенная масса и сопротивление излучения.
46. Объемная и сдвиговая упругость твердых тел. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона.
47. Математическое описание деформации тела. Вектор смещения и тензор деформации.
48. Обобщенный закон Гука. Однородные деформации.
49. Основные уравнения линейной теории упругости. Волны в изотропном упругом теле.
10.
Образовательные технологии.
В соответствии с ФГТ к структуре ОПППО (аспирантура) предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм образовательных
технологий: лекционные чтения, выполнение лабораторных работ, консультации по вопросам подготовки рефератов, внеаудиторная работа в учебно-научных лабораториях.
Использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:

лекции;

лабораторные занятия.
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
а) Основная литература:
1. Мултановский, Вячеслав Всеволодович.
Классическая механика : учеб. пособие для
студ. пед. и тех. вузов, обуч. по напр. подготовки и спец. в обл. физики и естественнонауч.
образования / В. В. Мултановский. - 2-е изд., перераб. - Москва : Дрофа, 2008. - 384 с.
2. Матвеев, Алексей Николаевич. Механика и теория относительности : учеб. пособие / А. Н.
Матвеев. - 4-е изд., стереотип. - Санкт-Петербург : Лань, 2009. - 336 с.
3. Кащенко, Сергей Александрович.
Модели волновой памяти / С. А. Кащенко, В. В.
Майоров. - Москва : ЛИБРОКОМ, 2009. - 288 с.
4. Михасев, Геннадий Иванович. Локализованные колебания и волны в тонких оболочках :
асимптотические методы / Г. И. Михасев, П. Е. Товстик. - Москва : Физматлит, 2009. - 292
с.
5. Глэдвелл, Грэхэм М. Л. Обратные задачи теории колебаний / Г. М. Л. Глэдвелл. - Москва;
Ижевск : РХД, 2008. - 608 с.
6. Котельников, Владимир Александрович (1908-2005).
Собрание трудов : к 100-летию
со д. р. / В. А. Котельников ; Ин-т радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова
РАН. - Москва : Физматлит.
Т. 1 : Радиофизика, информатика, телекоммуникации. 2008. - 520 с.
б) Дополнительная литература:
1. Ландау, Лев Давидович (1908-1968). Теоретическая физика : в 10 т. : учеб. пособие для
студ. физ. спец. ун-та / Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.; Под ред. Питаевского Л. П. - 5-е изд.
- Москва : Физматлит, Т. 7 : Теория упругости. - 2001. - 264 с.
2. Основы теории колебаний : [Для исполз. в учеб. процессе физ. спец. вузов]. - 2-е изд., перераб. - Москва : Наука, 1988. - 391 с.
9
3. Рабинович, Михаил Изральевич.
Введение в теорию колебаний и волн : [учеб. пособие для физ. спец. вузов] / М. И. Рабинович, Д. И. Трубецков. - Москва : Наука, 1984. - 432
с.
4. Уиттекер, Эдмунд Тейлор.
Аналитическая динамика : пер. с англ. / Э. Т. Уиттекер. Ижевск : Изд-во Удмурт. гос. ун-та, 1999. - 588 с.
5. Рыскин, Никита Михайлович. Нелинейные волны : учеб. пособие для вузов по физ. спец.
/ Н. М. Рыскин, Д. И. Трубецков. - Москва : Наука : Физматлит, 2000. - 272 с.
6. Рабинович, Михаил Израилевич.
Введение в теорию колебаний и волн : [учеб. пособие для студ. вузов] / М. И. Рабинович, Д. И. Трубецков. - 3-е изд. - Ижевск : Регулярная и
хаотическая динамика, 2000. - 560 с.
в) Электронный ресурс:
Колебания и волны [Электронный ресурс] / М. Абловиц [и др.]. - Электрон. текстовые
дан. - Москва : Компьютерные информационные технологии : Регулярная и хаотическая динамика, 2003.
Хаос. Солитоны. Фракталы [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые дан. Москва : Регулярная и хаотическая динамика, 2003.
Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины.
Лекционная аудитория с доской и мелом, лекционная аудитория с мультимедийным
оборудованием, компьютерный класс для практических занятий.
12.
Дополнения и изменения в рабочей программе на 201 / 201 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
__
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ____________________
«
»_______________201 г.
Заведующий кафедрой ___________________/___________________/
Роспись
10
Ф.И.О.