物理学与天体物理学 MPhys

University of Exeter - 埃克塞特大学

每个物理学家都必须能够分析数据，评估理论模型，并以技术报告的形式展示他们的工作。他们还必须能够进行调查，如实验，并以系统和逻辑的方式解决他们遇到的问题。

本模块将向学生介绍量子力学和狭义相对论的理论，并展示它们是如何被用来解释各种天体物理现象的。学生将对现代天文学家用来描述和解释所观察到的宇宙的关键思想和语言有广泛的认识和理解。

本模块提供了实验物理学的广泛基础，在此基础上，第二阶段和后续阶段的实践工作将得到加强。它以一系列简短的讲座开始，并辅以在线笔记，内容是误差分析和图表绘制。实验工作通常是在演示者的支持下，两人一组进行。实验被记录在实验本上，并作为正式报告提交。其中一个实验涉及作为一个小组，在一个类似于会议的环境中准备和提交口头报告。

所有的物理学家都必须对数学方法有良好的掌握，并在其应用中具有良好的 "流畅性 "水平。本模块涵盖了微分、复数和矩阵等领域，在整个物理学中具有广泛的应用性。它提供了一个坚实的基础，后续模块PHY1026数学II将建立在此基础上，并强调用物理科学中的例子来解决问题。

振荡和波的传播的概念渗透到整个物理学中。本模块确定并应用基本原则，使学生能够理解许多表面上不相关的系统。广泛的物理现象被用来作为例子。本模块首先考虑强迫、阻尼谐波振荡器的特征参数，并将它们与波的传播的特征参数联系起来。后面的阶段讨论了波的传播和反射，用拉长的绳子上的波作为模型系统。还讨论了固体中的纵波、气体中的声波和周期性结构中的波（大部分固体物理学的关键），随后介绍了几何光学和光学系统.

本模块旨在巩固学生在数学基础方面的技能，向学生介绍一些在物理学中最常用的数学技术，并让学生在使用和应用方面获得经验。重点是数学技术的使用，而不是其严格的证明。

了解物质的特性既是物理学的一个基本方面，也是鉴于其日益增长的技术重要性而非常重要。在学位课程中，凝聚态的覆盖面分布在一些模块中，本模块是第一个。本模块的目的是培养对物质属性的基本概念的正确理解。这在两个层面上完成。使用实验观察和宏观（大尺度）理论来解释弹性特性和静力学特性等主题。液体的表面张力是用分子层面的理论来解释的。随后是对原子间相互作用的微观处理，原子的基态电子结构，以及分子中的旋转和振动能级。在不同的分子排列方面，讨论了液晶的结构。最后，描述了具有金刚石结构和氯化钠结构的晶体中的原子结构和键合.

本模块通过讲座和指导自学来培养学生对牛顿经典力学和狭义相对论的理解。尽管有些概念在A-level考试中已经很熟悉，但矢量符号将被贯穿使用。特别强调的是规律和方法的精确和一致的应用。

本模块将解释电子和其他波如何在晶体材料内传播并影响其特性。讨论了周期性结构的特性，特别是实空间和倒数空间之间的关系以及弹性和非弹性散射在这两个空间的表现。声子和电子都受到它们传播的晶体结构的深刻影响。本模块的最后一节考虑了自由电子和近自由电子近似中的电子传输，这对电子在金属和半导体中的行为给出了很好的描述。晶体晶格的振动激发（声子）对绝缘体的特性特别重要。

实验工作是学习物理过程中的一个重要部分，学生在这里实际应用他们的知识。它使学生能够加深理解，提高解决问题的技巧，并使他们能够积极参与对自然界的探索。这个第二阶段的模块建立在第一阶段模块PHY1027实践物理学I的基础上，引入了更先进的技术和设备，有更详细和经常开放的实验，需要学生积极参与。这些实验是对第二阶段和第三阶段模块的讲座材料的补充。一些实验课题在讲座中没有直接涉及，旨在扩展学生对物理学的整体视野以及他们独立定义和解决问题的能力。此外，该模块旨在发展广泛的实验技能，以及仔细的记录、对数据的批判性解释及其在报告和会谈中的表述。

本模块将使学生在PHY1026的知识和技能的基础上，对整个物理学中使用的一些中心数学思想和技术有更深的理解和更强的能力。重点是实践技能而不是正式证明。学生将获得一些关键技术的技能，这些技术与他们在学位课程的后期阶段将遇到的高级模块直接相关，但也在整个数学科学中具有广泛的适用性。

本模块建立在第一阶段PHY1024物质特性模块中对热特性的讨论基础上，介绍了经典热力学，并说明其规律是如何从集合的统计特性中自然产生的。介绍了关键思想的现实世界的例子，并强调了它们在后面模块中的应用，如PHY2024凝聚态物质I和PHY3070恒星从诞生到死亡。本模块中发展的概念在PHYM001统计物理学模块中得到进一步扩展。

掌握计算语言以及如何编写程序解决物理学相关问题是一项有价值的可转移技能。它是通过一系列的实践课程来教授的，在这些课程中，学生将初步学会理解源代码的逻辑，并被要求为一些准备好的项目修改代码。本模块学习C语言，但所涉及的原则几乎适用于所有程序化编程语言。

本模块研究与静电学（静止电荷）和磁静电学（与稳定电流相关的磁效应）有关的现象。它介绍和发展了电场和磁场矢量的使用，并通过考虑经典水平的电磁感应将它们联系起来。这些场与传统的块状电路参数R、C和L之间的联系也得到发展。本模块依赖于并发展学生应用矢量分析的能力。麦克斯韦方程的微分形式将被系统地开发，从两个带电粒子之间的力开始，从而为研究PHY3051电磁学II中更高级的材料打下坚实的基础。

在这个模块中，学生将获得关于宇宙及其内容的基本知识，以及对天体物理测量的良好理解。因此，它对天体物理学项目工作至关重要，当与从后续模块PHY3070、PHY3066和PHYM006中获得的对恒星、星系和宇宙学的详细了解相结合时，将提供一个均衡的天体物理学基础。该模块的具体目标是传授：关于宇宙中物体层次的基本知识，包括它们之间的结构和演化关系；了解用于观测天体物理学的关键仪器的基本原理；了解我们如何从遥远的、往往是未解决的物体中获得结构信息和物理参数。

本模块介绍了量子力学基本原理的数学表达，以及寻找允许直接数学分析的问题解决方案的方法。这些解决方案展示了该学科的许多一般特征，并将应用于物理课程的后续模块中。

学生将在一个与本系现有主要研究小组之一有关的项目上工作。在该项目期间，他们将学习如何作为研究小组的一部分工作。学生们不仅将发展研究技能和沟通技巧，还将获得团队工作的宝贵经验。通常情况下，两到四名学生将为一个特定的研究课题工作，在一个小组内，学生们通常会结对工作。

本模块包括两个单学期项目，可以是理论性的，也可以是实验性的，通常是一对一进行。这些项目是开放式的。虽然通常是受系里的研究启发，但学生也可以提出自己的研究课题。学生将为他们的第一个项目制作一份正式的书面科学报告，并将合作为他们的第二个项目做一个海报展示.

本模块包括一个学期的项目，可以是理论性的，也可以是实验性的，通常是一对一进行。这些项目是开放式的。虽然通常是受系里的研究启发，但学生可以提出自己的调查课题。学生将为他们的项目制作一份正式的书面科学报告。项目工作不仅让学生有机会对实验或理论物理学的特定领域进行研究或详细调查，而且还要求他们在没有人告诉他们 "正确 "答案的情况下发展和应用分析和解决问题的技能，而必须自己发现和验证答案。这可能涉及到设计解释或解决方案，使用图书馆、计算机和其他资源，在小组中工作，以及以书面和口头形式展示和交流他们的工作，。

解决问题是通过使用推理来回答问题的过程，而不仅仅是应用预先学过的程序。这是一个向学生提出不熟悉的问题来解决的综述性模块。它要求他们利用他们在大学三年中所积累的核心物理学的技能和知识，以制定他们自己的解决方案来解决这些问题。

恒星系统的研究包含了广泛的物理学知识，包括引力、量子力学和热力学。本模块采用这些在核心模块中学到的基本物理概念，并利用它们来推导恒星的特性。前面几节描述了恒星的基本内部结构，后面几节则是关于高、低质量物体的老化和死亡。最后几节描述了恒星是如何形成的。本模块旨在培养对当前天体物理学研究前沿课题的熟悉程度，如恒星的形成和对支配恒星结构和演化的物理学的详细了解。

本模块是对核物理和粒子物理的介绍，以一系列讲座和综合自学包的形式进行，提出了一系列构成该学科基础的关键领域的课题。这是所有物理学课程的一个核心模块，并由第三阶段的辅导和问题课支持。

这是物理系学生学习的第二个电磁学模块。它建立在PHY2021（电磁学I）的基础上，涵盖了学生能够直接观察到的基本物理知识。该模块的早期部分提供了一个简短的回顾，并加强了在PHY2021结束时处理的困难材料。麦克斯韦方程被陈述和操作以获得波浪方程，并讨论了解决方案的形式。然后介绍固体的介电和磁性能，重点是它们的实部和虚部的频率相关性，以及对波传播的影响。考虑了波在不同材料之间的界面上的传播，从而推导出菲涅尔反射系数和传输系数。讨论了引导不同频率的电磁波的需要，并介绍了通过传输线、波导和光纤的引导。最后讨论了以匀速或震荡速度运动的电荷所产生的电磁场。一些有趣的物理现象被考虑，这些现象在许多领域和许多关键技术中都很重要。这是物理课程的一个核心科目，由第三阶段的辅导和问题课来支持。

该模块涵盖了一系列更高级的课题，导致了对量子转换和非相对论散射的讨论。许多物理学涉及到电磁相互作用的表现，容易受到扰动技术的影响。该模块中概述的方法适用于凝聚态物理和核物理中的许多情况，使人们能够获得有用的和有信息量的解决方案，而不需要求助于数字方法。

本模块应用天文学的两种主要技术--天文观测和理论建模，以了解宇宙中的星系，包括银河系，以及它们的物理过程。这些系统的研究水平比PHY2030更高，该模块是对涵盖小尺度宇宙（如恒星天体物理学）的PHY3063 Stars的补充。本模块旨在发展对星系物理学的理解，它们的组成，以及它们在宇宙学时间的演变。这些天体的魅力部分是由于从如此微弱和遥远的天体中提取信息的挑战，部分是由于暗物质、黑洞、非牛顿引力、类星体和宇宙膨胀的奇异物理学。在本模块结束时，学生应该能够消化网络上和大众科学报刊上与星系有关的材料，并开始接触天体物理学文献，以此来更新他们在这个快速发展的领域的知识。这个模块还为学生提供了一个实用的入门课程，介绍天文学观测的基本辐射过程。

本模块介绍了20世纪物理学的基石--广义相对论，爱因斯坦的几何引力理论。本模块以回顾狭义相对论开始。随后，将介绍支撑广义相对论的数学工具（张量分析和微分几何），学生需要有良好的数学流畅性和直觉水平，以便参与材料的学习。主题包括爱因斯坦的场方程、施瓦茨柴尔德解和黑洞、引力波，以及罗伯逊-沃克公制和宇宙学.

该模块将把PHY2021、PHY2024和PHY3051中涉及的大部分核心物理学知识应用于新的系统，并参与金属和电介质中的基本电、磁和光学现象。该模块说明并借鉴了该系所进行的研究：金属到绝缘体转变的研究，强磁场中的振荡效应，光学和磁现象。

本单元将展示理论和观测是如何支撑我们对太阳系内外的行星物体的快速发展的知识，这是自1995年首次观测到太阳系外行星以来迅速发展的物理学领域，也是Exeter的一个主要研究主题。

本模块建立在学生在第二阶段学习的PHY2023热物理模块的基础上。它强调了统计物理学的四个方面，将它们应用于一些处于平衡状态的物理系统。首先，它表明对热力学状态的了解取决于对物理系统可获得的量子状态的列举；第二，诸如分区函数的统计量可以直接从这些状态中找到；第三，热力学观测值可以与分区函数相关，第四，理论结果与实验观测值相关。

本模块包括45或60个学分。本模块是由两部分组成的75学分的项目的第二部分，延伸到物理硕士课程的第三和第四阶段。学生将继续在物理学的一个主要研究小组中工作，进行第三阶段开始的项目。物理学硕士学位的一个主要特点是它的实质性项目，要求学生在研究环境中把他们所获得的知识应用于一个真正的问题。这个模块的目的是培养开放式的解决问题的技能，这是实践中的物理学家的特点。