理论物理与一年工业实践 MPhys

Swansea University - 斯旺西大学

本模块对量子力学的基本概念作了初步介绍。在本模块结束时，学生应该：理解量子力学的关键概念，特别是波粒二象性；理解海森堡不确定性关系的意义；理解薛定谔方程并能将其应用于简单的量子力学问题。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

本模块提供了支撑本科阶段物理学的基本数学知识。针对已经参加过A级数学或同等水平的学生。在本模块结束时，学生应该能够提出并解决向量问题；操纵代数和超越函数；对标量和向量函数进行微分；对标量和向量函数进行积分；画出曲线并确定转折点；对某些常微分方程和偏微分方程进行分类和求解。

在本模块中，我们将探讨经典动力学的基本概念，即力、能量、动量和角动量，并将其应用于各种重要的物理情况，如粒子碰撞和行星运动。然后，该模块将介绍振荡的原理和波的入门概念。在本模块结束时，学生应该有。对动力学基本定律的基本理解，包括对振荡和旋转系统的应用，包括应用这些定律解决实际问题的能力；对自然界中波运动的普遍原理的理解，包括将波的数学理论应用于包括电磁波在内的各种物理应用的能力；与解决问题有关的数学技能.

本模块是对观测天文学和宇宙学的基本介绍。它将以非数学的方式进行，旨在启发和激励任何学科的学生在其学习的早期阶段。将提供进行实际天文观测的机会。学习成果。对现代天文学的理解；学生将能够根据本模块的内容进行计算和解决问题，采取分析和/或数字计算的形式，不使用教科书或其他来源；学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在没有教科书或其他来源的帮助下回忆关键公式.

本模块将首先介绍静态电场和磁场，原则上是两个分开的科目，然后再介绍电磁力，描述由于电磁场对粒子的作用力。将会介绍基本的电路。本模块接着介绍动力学理论、热力学和物质结构的关键基础。

本模块促进了在大学学习所需的学习过渡和适应。将介绍学习方法，并介绍对现有自学资源的理解的关键方面。该模块的方法是通过学生参与一系列密集的、由工作人员领导的活动，给予他们在本科阶段有效接受物理学教育所需的技能。

本模块提供了支撑本科阶段物理学的基本数学知识。针对已经参加过A级数学或同等水平的学生。在本模块结束时，学生应该能够。计算各种函数的泰勒级数展开；确定简单函数的极限；以标准和极地形式处理复数；使用双曲函数进行计算；处理矩阵并找到其特征值和特征向量；勾画曲线并识别转折点；使用向量和微积分解决几何问题。

本模块进一步介绍了物理学中使用的数学方法，特别是复变理论、傅里叶分析及其应用。在本模块结束时，学生应该：有能力在物理问题中使用复变数；对傅里叶分析和傅里叶变换的威力有清晰的认识；理解双重描述存在的物理意义。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键的公式。

这是一个电磁学的高级模块，从麦克斯韦方程开始，介绍经典的场理论。在本模块结束时，学生应该：对作为电磁学基础的麦克斯韦方程有透彻的理解；能够将麦克斯韦方程应用于广泛的电磁现象，包括介质中的电磁学和电磁辐射；对经典场论的基本思想有所了解。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

学生将学习量子力学的基础知识，基本上是无限方井，一些用简单的电位来揭示斯克罗丁格方程的问题。然后研究震荡器，使用创造和疏散算子的观点，在量子场论中非常有用。最后，涵盖了量子力学中角动量的基础知识。该模块对简单的可计算问题、测量的效果和状态的完整基础的想法有一个看法，这些想法在上述所有情况下都会重复出现。

本模块的目的是教授现代固态物理学的基本概念。对自然界中常见的晶格结构及其特性的理解。对固态物理学的基本概念的理解。在一些实际但具有挑战性的情况下，使用基本的物理规律来解决问题。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键的公式。

本模块的目的是从微观物理学的基本规律中推导出热力学，并向学生介绍经典和量子统计物理学的基本内容。将讨论麦克斯韦-波尔茨曼、费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计。基于麦克斯韦热力学关系的实施，对热力学的高级理解，特别是与热容量和非理想气体有关的关系。对观察到的系统的宏观属性和系统的微观状态之间的关系的理解，特别是集合平均的概念和分布的应用。

本课程混合了基于计算机的真实问题的 "实践 "练习，对常用数值方法的理论概述，以及对计算机编程技能的进一步细化。在整个课程中，将举出实际的物理学例子来说明所教授的方法。它的目的是让学生建立一个软件技术库，供以后使用。

发展了用矢量分析和多重积分来描述空间的电场和磁场。解释了与量子力学有关的矩阵及其特征向量的属性。应用矢量微积分和积分定理解决电磁理论和其他物理学分支问题的技能。熟悉与量子物理学的测量有关的特征值和特征函数的概念。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

所有物理学专业的学生都可以选择这个模块，但所有报名（或转学）参加物理学与工业年课程的学生必须参加。所有学生都会从这个模块中受益。该模块的重点是获得、进入和通过成功的职业所需的基础和基本条件。学习者将被介绍到：寻找工作岗位、撰写简历和申请技巧；面试技巧，如何推销自己并获得成功；工作场所的基础知识和知识产权意识、行为和期望；以及关键的就业技能；从你的工作或工业实习中获得最大利益。

本模块介绍了狭义相对论的基本原理，并将其应用于相对论粒子动力学和基本电磁学。在本模块结束时，学生应该：对狭义相对论的原理有了全面的了解；能够在粒子物理学和其他物理学分支中应用相对论动力学；对狭义相对论和电磁学的关系有清晰的认识。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键的公式。

科学交流是科学家的一项关键技能。发展这些技能可以让学生真正消化复杂的、通常是抽象的理论思想，并找到成功向非专家介绍这些思想的方法。这提高了学生自己的理解力，同时也为他们在更广阔的科学和商业世界中做好准备。

本模块对基本粒子物理学进行了初步介绍。在本模块结束时，学生应该：能够将相对论动力学应用于当代加速器的粒子反应；对自然界的基本粒子有很好的了解；理解对称性在自然界基本规律中的作用；对粒子加速器和探测器的物理学有详细的了解，并了解当今世界上运行的主要粒子物理实验室。学生将能够根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题，而不需要使用教科书或其他资料。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键的公式。

该课程建立在PH-207模块的基础上，提供了一个关于材料的热、电子和磁性能的理论和实验概述。对凝聚态物理学的基本规律的理解。能够使用这些定律来解决实际问题。学生将能够根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题，而不使用教科书或其他来源。学生将能够证明他们已经掌握了本单元的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

本模块涵盖半导体设备物理学，重点是由无序半导体制成的 "下一代 "太阳能电池。展示对半导体器件物理学的基本原理的理解。能够使用这些原理来解决实际问题。学生将能够根据本模块的内容进行计算和解决问题，采取分析和/或数字计算的形式，不使用教科书或其他来源。学生将能够证明他们已经掌握了本单元的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

学生将通过学习一般的形式主义来加深他们对量子力学的研究。学生将受到该理论中奇怪和令人费解的方面的挑战。学生将学习各种解决复杂系统的近似技术。学生将学习量子力学的基本表述，体会量子力学中涉及测量的问题，并学习如何用各种近似方法解决量子问题。学生将能够根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题，而不需要使用教科书或其他资料。学生将能够证明他们已经掌握了本单元的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

本课程介绍了量子力学在原子结构中的应用，以及对光谱学的影响。氢（包括自旋、精细结构和超精细结构）、氦和碱金属的电子结构将从量子力学的第一原理开始讨论。应用磁场对能级的影响（齐曼效应）将在微扰理论中计算。简要介绍了光谱学的实际例子.

在每周两次3小时的实验室课程中进行实验，主题与物理学的高级研究主题有关。学生将由工作人员分配到适当的主题。对高级研究主题的物理学有更深入的了解。有能力对所做的工作进行详细的即时记录或实验室日记。有能力写出符合当前研究标准的详细科学报告。

本模块的目的是对学生进行广义相对论的教育，介绍所需的足够多的数学工具，即伪黎曼几何，以便可以考虑该理论的许多应用。学生将主要通过简单的例子和从自由下落的观察者的角度来学习弯曲的几何学。应用将包括：讨论涉及行星运动和光的弯曲的广义相对论的经典测试；黑洞、虫洞和曲率空间时间的奇怪几何。最后，学生将了解广义相对论是如何决定整个宇宙的动力学的。

本模块涵盖了原子物理学和量子光学的现代课题的基础知识。学生将学习光-原子相互作用的基本表述，激光器和一些相关仪器的原理，最后是如何在现代原子物理实验中应用这些知识，如激光光谱学。激光冷却被用作一个例子，以强调一旦掌握了这些知识，就会有很多可能性。学生将能够根据本模块的内容，以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题，而无需使用教科书或其他来源。学生将能够证明他们已经掌握了本单元的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于课本或其他来源的情况下回忆关键的公式。

本模块介绍了粒子物理学标准模型的结构，并回顾了当前的实验发展。在本模块结束时，学生应该：详细了解粒子物理学标准模型的结构和对称性；能够从电弱对称性推导出夸克、轻子和W、Z玻色子的相互作用；知道为什么希格斯玻色子与质量的起源有关；欣赏LHC实验带来的粒子物理学的未来发展。学生将能够根据本模块的内容进行计算和解决问题，采取分析和/或数字计算的形式，不使用教科书或其他来源。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

本模块涵盖了核物理学，包括裂变和聚变的应用，以及强相互作用理论的现代发展。在本模块结束时，学生应该。意识到在复杂的物理情况下，需要用现象学模型来补充第一原理理论；对标准核物理及其在发电和核武器方面的应用有透彻的了解；在半定量的水平上理解夸克是如何结合成强子的；欣赏多夸克/胶子系统统计力学中的先进思想。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，以分析和/或数字计算的形式，根据本模块的内容进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键的公式。

计算机模拟在物理学中发挥着基本作用。本课程将介绍该领域使用的主要技术，特别是蒙特卡洛计算。学生还将掌握必要的计算技能。有信心使用一个类似UNIX的操作系统，特别是命令外壳。能够用Python语言编写程序，根据符号给出的规格进行数值计算。使用蒙特卡洛方法，能够将其应用于有物理意义的系统，并理解其限制。了解具体的数据技能，如采样、统计不确定性、处理偏差和有效的可视化。以准确的、可理解的和视觉上吸引人的方式展示结果.

本模块为物理学家介绍了一系列重要的数学技能，包括解决微分方程的高级技术、变分法和群论。这些想法将通过应用于众所周知的物理系统来说明。学生将扩展他们对高级数学技术的知识，为他们的M级模块做准备。学生将能够进行计算并解决基于本模块内容的分析和/或数字计算的问题，而无需使用教科书或其他来源。学生将能够证明他们已经掌握了本单元的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于课本或其他资料的情况下回忆关键的公式.

工业实习年（通常被称为工业年）发生在最后一年之前。只有参加明确包括工业年的计划的学生才有资格参加工业实习。学生可以在学习开始时报名参加有工业实习年的课程，但必须具备适当的强化入学资格，或者可以转入这样的课程（取决于是否有实习机会），直到第五级结束。学生在英国（或可能在英国以外）的公司完成至少40周的实习.

量子场理论的介绍。学生将获得对量子场理论的理解，并对如何计算一些物理过程进行介绍。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本单元的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于课本或其他来源的情况下回忆关键的公式。

课程的第一部分研究相对论量子力学中的狄拉克方程及其在量子场论中的应用。课程的第二部分详细介绍了粒子物理学的两项最新进展（中微子振荡的发现和希格斯粒子的发现），以及它们在粒子物理学标准模型中的重要性。

学生将加深对原子物理学和量子光学的理解。学生将学习原子物理学和量子光学的最新发现背后的基本物理学。学生将能够在不使用教科书或其他资料的情况下，根据本模块的内容以分析和/或数字计算的形式进行计算和解决问题。学生将能够证明他们已经掌握了本模块的内容，能够定义和总结重要的术语和概念，在不借助于教科书或其他来源的情况下回忆关键公式。

介绍量子力学、量子算法和量子计算机的基本概念。学生将了解一些当今最相关的量子算法，包括Grover的搜索算法和Shor的因式分解算法，以及量子传送和量子密码学协议。将讨论基于光子、陷落离子和超导量子比特的各种最先进的量子计算机原型的实验实现，以及现代发展，如量子纠错和D-Wave量子机。