物理与天体物理学 BSc (Hons)

Lancaster University - 兰卡斯特大学

他们将对真实的现象和情况进行建模，研究作为力学基础的物理原理，特别是与力和运动有关的纽顿定律，以及能量和动量守恒的原理。

本模块是希望对代数、向量和微分有良好理解的学生的理想选择，并提供解决数学建模中涉及的基本方程所需的工具，同时加强解决问题的能力。

在经典力学中，学生将把牛顿力学的基本思想应用于重要系统，如旋转体、行星系统和经典流体。重点是引力和它在决定宇宙大尺度行为方面的核心重要性。将探讨惯性和引力质量、黑洞和暗物质等概念。

本模块首先研究复数表示的原理，研究实数和虚数、复数共轭、阿冈图和复数的不同表示方法，如笛卡尔、极坐标和指数。

本模块介绍了本系在国际上享有盛名的一些关键研究课题，如天体物理学、宇宙学、空间物理学、粒子物理学、理论物理学和量子技术。它将展示物理学学位中所学习的基础物理学与前沿研究之间的联系。它还将提供处理与物理学研究有关的问题的建议和经验。最终，它还将帮助学生就他们希望遵循的学位流和主题途径做出明智的决定。

本模块介绍了振荡和波的重要概念。这些概念出现在物理学的许多不同领域，但可以用非常相似的方式来描述。从广泛适用的简谐运动模型开始，学生将探索波浪方程，并培养在一般情况下求解的能力，计算描述波浪的适当物理参数，并理解普遍的波浪现象，如干涉、节拍和波包。

本模块以探索单变量积分的基本原理及其与图形下面积的关系为开端。这使我们能够直接整合各种单变量的基本函数。然后，学生将考虑用系统的技术来处理更复杂的单变量积分，包括用部分积分和代入法。最后，学生将学习重要的线段、面积和体积上的基本积分。

本模块将介绍常见的问题解决策略，如数量级的近似值和提出工作和解决方案的技术。它将涵盖数据分析的基本概念，如不确定性的估计和传播，实验误差的类型，以及简单的拟合技术。还将向学生介绍记录的方法，如如何保持一个好的实验室记录本。

本模块的目的是强调有效的科学交流对知识交流的重要性。它将发展学生的科学素养技能，并灌输对科学知识传播方法的理解，包括文献搜索和参考资料。该模块还将讨论专业科学家必须在其中运作的道德框架，包括知识产权和环境可持续性问题。还将考虑物理学方面的职业和追求这些职业所需的技能，如撰写简历。

它将从介绍温度和热量、热平衡和温标的概念开始。然后学生将研究如何描述热传递的机制，特别是在相变、状态方程和理想气体的动力学模型中。

本模块涵盖了电磁学的基本定律，使学生能够研究电场和磁场的异同，并探索电磁现象的基本概念，包括电荷、电流、场、力和电位。

本模块通过对直流和交流电路的探索，建立并强化了电场和磁场的关键物理知识。通过定量分析简单电气元件的影响，学生将建立对电压、电流、电阻、电容和电感的基本原理的理解。这也将促进涉及振荡行为和复数理论的其他关键技能的应用。

本模块是希望在物理背景下发展他们对矢量代数和坐标几何的理解的学生的理想选择，将函数和微积分的基本概念扩展到基于矢量场和电位的三维描述.

学生将在数列和它们的形式表示方面获得良好的基础，包括确定无限数列的行为。然后，学生将学会用泰勒扩展法描述函数作为幂级数的表示方法。

宇宙的最终描述需要量子而非经典力学。本模块首先调查具体的实验如何导致经典物理学的崩溃，然后再进入量子世界。

本模块为学生提供了一个关于宇宙的现代视角，包括宇宙的大小、结构和大约140亿年的演变。将向学生介绍轨道、开普勒定律、电磁辐射、望远镜和探测器，并学习所有主要的关键天文学工具，使我们能够从最小到最大的尺度来探索宇宙。

本模块向学生介绍太阳系形成和行星体的物理学，包括其表面和大气层，以及它们与空间环境的相互作用。该模块将为学生提供应用核心物理学的经验，并在解决太阳系物理学问题中理解太阳系的观测。学生将发展整理和理解一系列来源的复杂信息的技能，并制定问题，确定关键问题，用明确的解决方案解决问题。

该模块涵盖了从现代角度看宇宙的结构和演变，研究其大小和结构、星系和星系团、暗物质和宇宙长度和质量尺度。学生将学习测量天文和宇宙学距离的方法以及哈勃-勒梅特的膨胀定律。

本模块旨在为学生提供学习物理学学位及以后所需的基本数学技术的工作知识，其主题范围包括线性代数，学生将发现耦合线性方程、线性变换和耦合振荡器的正常模式。关于希尔伯特空间的部分将涉及波浪方程、函数基和克朗克德尔塔符号，角谐波将被详细介绍。

本模块介绍了傅里叶级数和变换，并讨论了它们在物理学中的应用实例。学生将学习如何将一个周期性的函数表达为一个傅里叶级数，并找到一个函数的傅里叶变换。

本模块提供了对热力学平衡、温度、第三定律、可逆和不可逆过程，以及热、功和内能的回顾。学生将被介绍到玻尔兹曼分布，并将玻尔兹曼分布应用于固体、准磁性、热容量、固体的缺陷。该模块为学生提供了探索晶体结构和对称性、晶格、对称性运算和单元格的机会。作为该模块的一部分，学生将研究量子力学自由电子模型以及近自由电子和紧密结合图片中的基本带状结构思想.

本模块通过麦克斯韦方程，利用矢量微积分的工具，为学生提供了关于电磁学的工作知识和理解。学生将熟悉自然界中许多不同现象之间的共同联系，这些现象具有谐波振荡器或波的数学模型。该模块涉及波的传播、衍射和推理的基本特性，以及激光操作。

学生将接受基于概念的介绍，了解狭义相对论、原子核和基本粒子的物理学。该模块涵盖了核的一般属性，如组成、核内力、质量、结合能和核衰变。然后向学生介绍粒子物理学的标准模型，包括三代基本粒子及其相互作用。

介绍编程基础知识，本模块让学生参与编写和运行Python计算机程序，用于数值模拟和数据分析。这将涉及到学习变量类型、流程控制和逻辑表达、函数和类。他们将获得用于数值计算的软件库的知识，包括对数组数据格式的处理。他们将被引入良好的编码实践，如记录和测试他们的代码，并熟悉调试他们程序的方法。

本模块涵盖了量子力学的所有内容，从其中心定理和数学语言到具体现象和应用。学生将学习主要公设是如何赋予量子系统的状态、观察物、动力学和可测量属性以精确的意义，以及这如何转化为理论的一般特征，例如一方面是其固有的概率性质，另一方面是对可观察属性的精确量化。这些材料通过一系列的模型系统和应用来介绍和发展，如盒子里的粒子、穿过屏障的隧道、谐波振荡器、氢原子、角动量和自旋、显示辐射转换的驱动系统，以及显示纠缠和遵守泡利排除原则的多体系统。学生还将熟悉该理论的数学语言，包括狄拉克符号、微分和矩阵算子、换元关系以及特征值问题的作用。他们还将获得解决技术的实践，如变量分离、静止和时间依赖的微扰理论、Ehrenfest和Heisenberg图片。通过进一步的应用和实例，学生将获得原子和分子物理学、凝聚态物理学、粒子物理学、天体物理学和量子信息处理等高级课程的先决知识。

本模块介绍了单电子原子和自旋-轨道磁相互作用，以及相同的粒子和氦气原子。学生将研究费米气体模型和单粒子壳模型，并将壳模型对核自旋、奇偶性和磁矩的预测与实验结果进行比较。该模块探讨了核β衰变过程以及费米和加莫-泰勒的选择规则，并向学生提供了关于β衰变率和电子能谱在核矩阵元素和统计因子方面的描述。

学生将在高级水平上了解固态物理学的理论和实验课题，并对固体中电子物理学的主要特征、晶体格子和声子、互易格子和波的衍射、金属、绝缘体和半导体的电子带结构有一定的了解。学生将探索半导体的电子特性，包括p-n结的物理学和其光学特性。学生将被介绍到固体中的磁学基础知识。

本模块为迄今为止学位课程所涵盖的主题提供了一个扩展，在进入热核聚变和恒星坍缩之前，向学生讲授恒星结构和稳定性。学生将发现退化的物体，如白矮星和中子星，并将研究X射线天体物理学和黑洞。

本模块将使学生熟悉天文学实验和仪器设备。它可能包括基于计算机模拟天文测量的各个方面，如双星和银河系的旋转，实际体验望远镜的基本光学原理，如放大率和像差，涉及使用真实观测的天文数据处理活动，如变星，以及分析来自太阳系航天器的原位测量，以探测太阳活动、行星际空间和日行星的相互作用.

学生作为团队的一部分（通常是4-5名成员）工作，并提交一份小组报告。该模块使学生能够利用世界上一些最好的望远镜收集的天体物理学数据，积累从事开放式研究项目的第一手经验。没有固定的教学大纲；问题将由学术带头人设定并更新，因此主题和数据始终处于天体物理学研究的最前沿，并且与其他天体物理学模块所涉及的主题密切相关。

该模块遵循宇宙的全球动力学、弗里德曼方程、能量守恒和加速方程。学生将研究早期宇宙、初始奇点和热大爆炸的辐射时代。热大爆炸宇宙学的热历史，以及宇宙中大尺度结构（星系团和超级星系团）的形成，都是该模块的研究内容。学生将对我们目前对观察到的宇宙和早期宇宙的理解有所认识，并能写下一些编码这种理解的方程式。

学生将作为团队的一部分工作，并接受项目管理、计划和会议方面的指导。学生将准备一份小组报告，并在学生会议上发表个人演讲，此外，还将制定一个研究项目，包括制定、文献搜索、数据收集、分析和展示。

学生将接受第一、二和三年级的核心物理模块材料的考试。在期末考试之前，将有一系列的研讨会，讨论试卷上的问题类型，以及修改解决问题和建立模型的技巧。

该模块探讨了对称性、夸克模型，并介绍了QCD。学生将探索轻子，以及力和它们的载体粒子和费曼图。该模块的目的是对基本粒子物理学的理论和实验课题进行一般性介绍，基本上是粒子物理学的标准模型。