ПРОГРАММА ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА
для студентов 4 курса
направления 03.03.03 Радиофизика

Профиль: «Физика и технология радиоэлектронных приборов и устройств»

Программа государственного экзамена по направлению 03.03.03 Радиофизика составлена на основе требований ФГОС ВО и положения о проведении государственной итоговой аттестации в Тверском государственном университете.

Целью государственного экзамена является определение уровня сформированности компетенций, имеющих определяющее значение для профессиональной деятельности выпускников по направлению 03.03.03 Радиофизика.

На государственный экзамен вынесены следующие компетенции:

  • способность к коммуникации в устной и письменной формах на русском и иностранном языках для решения задач межличностного и межкультурного взаимодействия (ОК-5);
  • способность к самоорганизации и самообразованию (ОК-7);
  • способность к овладению базовыми знаниями в области математики и естественных наук, их использованию в профессиональной деятельности (ОПК-1);
  • способность самостоятельно приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ОПК-2).

1. На государственный экзамен вынесены задания по следующим дисциплинам:

  • «Механика»,
  • «Молекулярная физика»,
  • «Электричество и магнетизм»,
  • «Оптика»,
  • «Атомная физика»,
  • «Физика атомного ядра и элементарных частиц»,
  • «Радиоэлектроника»,
  • «Физическая электроника»,
  • «Полупроводниковая электроника»,
  • «Квантовая радиофизика»,
  • «Основы цифровой электроники»,
  • «Основы аналоговой электроники».

2. Объем времени:

подготовка и сдача государственного экзамена — 2 недели

3. Сроки проведения:

согласно графику учебного процесса.

4. Материалы необходимые к государственному экзамену:

  • теоретические вопросы,
  • справочный материал, разрешенный к использованию на экзамене.

5. Условия подготовки и процедура проведения:

Расписание государственного экзамена и обзорных лекций по дисциплинам, включенным в программу экзамена, утверждается первым проректором — проректором по учебно-воспитательной работе ТвГУ по представлению декана факультета и вывешивается на доске объявлений за месяц до сдачи экзамена. Государственный экзамен проводится государственной экзаменационной комиссией. Форма проведения устная, включает:

  • подготовка к ответу по билету 1 час,
  • ответ студента на теоретические вопросы,
  • вопросы членов комиссии и ответы студента.

6. Критерии оценки:

Оценка 5 (отлично) – студент свободно владеет теоретическим материалом, видит межпредметные связи, способен иллюстрировать теоретические проблемы практическими примерами, обосновывать свои суждения, ответ отличается профессиональной культурой.

Оценка 4 (хорошо) – студент владеет теоретическим материалом, осознанно применяет знания для решения практических задач, ответ логичен, но содержание ответа имеет отдельные неточности.

Оценка 3 (удовлетворительно) – студент владеет теоретическим материалом, но излагает его неполно, непоследовательно, допускает неточности в определении понятий, в применении знаний для решения практических задач, не умеет доказательно обосновывать свои суждения.

Оценка 2 (неудовлетворительно) — студент имеет разрозненные бессистемные знания, не умеет выделять главное и второстепенное, допускает ошибки в определении понятий, искажающие их смысл, беспорядочно и неуверенно излагает материал, не может применить знания для решения практических задач.

Типовые задания для оценивания результатов сформированности компетенций на уровне знаний

Механика
  1. Кинематическое описание движения материальной точки. Нормальное и тангенциальное ускорение. Преобразования Галилея.
  2. Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона. Динамические уравнения движения и начальные условия. Принцип относительности Галилея.
  3. Закон сохранения импульса. Теорема о движении центра масс системы. Основы динамики тел переменной массы. Формула Циолковского.
  4. Работа как форма передачи энергии, механическая работа. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике, консервативные системы.
  5. Момент импульса и момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса.
  6. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения. Космические скорости.
  7. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.
  8. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции. Основное уравнение динамики твердого тела. Гироскопы.
  9. Упругие и пластические деформации. Деформация упругого растяжения и сдвига. Закон Гука. Энергия упруго деформированного тела.
  10. Гидростатика. Законы Паскаля и Архимеда. Течение идеальной жид-кости. Уравнение непрерывности, уравнение Бернулли. Вязкость жидкостей.
Молекулярная физика
  1. Термодинамические системы. Уравнение состояния. Первый закон термодинамики. Изопроцессы с идеальным газом.
  2. Тепловые и холодильные машины. Второй закон термодинамики. Энтропия. Закон возрастания энтропии.
  3. Термодинамические функции (внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия, термодинамический потенциал). Критерии равновесия термодинамических систем.
  4. Модель идеального газа. Молекулярно-кинетический смысл температуры. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы.
  5. Пространство скоростей. Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла). Характерные скорости.
  6. Молекулы в силовом поле. Распределение Больцмана.
  7. Процессы переноса в газах. Молекулярно-кинетическая оценка коэффициентов переноса в газах на примере теплопроводности.
  8. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Эффект Джоуля-Томсона.
  9. Фазовые равновесия. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Диаграммы состояния. Классификация фазовых переходов. Понятие о фазовых переходах второго рода.
  10. Граница раздела фаз. Поверхностное натяжение. Разность давлений на искривленной межфазной границе. Капиллярные явления.
Электричество и магнетизм
  1. Электрические заряды. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность поля. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса.
  2. Работа поля при перемещении заряда. Разность потенциалов. Связь потенциала и напряженности поля. Проводники в электростатическом поле. Емкость проводников и конденсаторов.
  3. Поляризация диэлектриков. Электрическое поле в диэлектриках. Диэлектрическая проницаемость. Вектор электрической индукции D. Граничные условия.
  4. Постоянный электрический ток. Законы Ома и Джоуля-Ленца. Электро-движущая сила. Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС. Правила Кирхгофа.
  5. Электрический ток в металлах и полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников, «р-n» переход.
  6. Магнитное поле в вакууме. Индукция магнитного поля. Закон Био-Савара-Лапласа. Поле прямолинейного тока. Циркуляция магнитного поля.
  7. Сила Лоренца и сила Ампера. Движение заряженных частиц в магнит-ном поле. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент.
  8. Магнитное поле в веществе. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Граничные условия для векторов В и Н.
  9. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея и правило Ленца. ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током, плотность энергии магнитного поля.
  10. Взаимосвязь переменных электрических и магнитных полей. Ток смещения. Система уравнений Максвелла как общая система постулатов теории электромагнитного поля.
Оптика
  1. Уравнение плоской и сферической электромагнитной волны для одно-мерной задачи. Амплитуда, фаза, длина волны, частота, волновая поверхность. Поляризация волн. Продольные и поперечные волны.
  2. Представления волнового движения комплексными величинами. Фазовая и групповая скорости электромагнитных волн. Волновой пакет. Длина и время когерентности. Формула Рэлея.
  3. Отражение и преломление света на границе двух диэлектриков. Поляризация света при отражении и преломлении, формулы Френеля (вывод формул для случая нормального падения света). Закон Брюстера.
  4. Интерференция световых волн, методы получения когерентных световых пучков. Расчет интерференционной картины от точечных когерентных источников. Интерференционные полосы равной толщины и равного наклона. Получение когерентных пучков методом деления амплитуды и делением фронта волны.
  5. Дифракция света. Расчет дифракционной картины методом зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и круглом экране.
  6. Дифракция Фраунгофера на одной щели и системе щелей. Дифракционная решетка. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии.
  7. Разрешающая способность оптических инструментов (телескопы и микроскопы).
  8. Тепловое излучение, испускательная и поглощательная способности тел. Абсолютно черное тело. Законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Формула Планка для излучательной способности абсолютно черного тела.
Атомная физика
  1. Фотоэффект. Понятие о фотонах. Эффект Комптона.
  2. Спектры испускания и поглощения. Модель атома Резерфорда. Постулаты Бора. Боровская теория атома водорода. Ионизация атома. Опыты Франка и Герца.
  3. Гипотеза Луи де Бройля. Дифракция электронных пучков. Статистическая интерпретация волн де Бройля. Волновая функция. Особенности квантовомеханического описания микрообъекта. Соотношение неопределенностей.
  4. Основы математического аппарата квантовой механики. Операторы физических величин. Стационарное и нестационарное уравнение Шредингера.
  5. Задача об одномерном движении свободной частицы в потенциальном ящике. Гармонический осциллятор в квантовой механике.
  6. Момент импульса в квантовой теории. Пространственное квантование. Квантовомеханическое описание атома водорода.
  7. Спин электрона. Опыт Штерна и Герлаха. Магнитный момент свободного электрона.
  8. Системы четырех квантовых чисел. Принцип Паули и застройка оболочек атома. Периодическая система элементов.
  9. Правила отбора при излучении атома. Ширина спектральных линий.
  10. Генерация света, спонтанные и вынужденные переходы. Воздействие светового потока на заселенность уровней, инверсная заселенность. Принципиальная схема лазера, порог генерации. Типы лазеров и их применение. Основные характеристики вынужденного излучения.
Физика атомного ядра и элементарных частиц
  1. Структура и свойства ядер. Ядерные силы. Энергия и дефект массы. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция. Коэффициенты размножения. Ядерные реакторы.
  2. Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада. Активность радиоактивного изотопа. Виды радиоактивности. Альфа-распад. Туннельный эффект. Виды бета-распада. Нейтрино.
  3. Ядерные реакции. Механизм ядерных реакций. Сечение реакции. Модель составного ядра.
  4. Основные характеристики атомных ядер. Энергия связи. Свойства ядерных сил.
  5. Элементарные частицы. Классификация элементарных частиц. Кварковая модель строения мезонов и барионов.
Радиоэлектроника
  1. Спектры периодических и непериодических сигналов.
  2. Теорема Котельникова (отсчетов).
  3. Виды модуляции, их особенности, области применения.
  4. Дифференцирование и интегрирование сигналов в радиотехнических цепях.
  5. Усилители электрических сигналов, параметрическое усиление.
  6. Генераторы электрических колебаний, условия возбуждения, LC и RC –генераторы, генератор на туннельном диоде.
  7. Генераторы релаксационных колебаний, мультивибраторы, блокинг-генераторы.
  8. Детектирование колебаний, амплитудное, частотное детектирование.
  9. Преобразование сигналов: смешение, умножение и деление частоты колебаний.
  10. Системы с распределенными параметрами, поперечные электромагнитные волны в линиях передачи.
  11. Вторичные параметры линий передачи: коэффициент распространения, коэффициент затухания, коэффициент фазы.
  12. Режимы работы линий передачи, коэффициенты отражения по напряжению и по току, КБВ, КСВ.
Физическая электроника
  1. Классическая электронная теория металлов. Границы применимости классического рассмотрения.
  2. Работа выхода электронов и методы ее определения.
  3. Эффект Шоттки (уменьшение работы выхода под действием внешнего поля).
  4. Термоэлектронная эмиссия. Закон Ричардсона-Дешмана.
  5. Автоэлектронная эмиссия.
  6. Электронная оптика.
  7. Туннельный эффект.
Полупроводниковая электроника
  1. Собственные и примесные полупроводники при равновесном состоянии. Закон действия масс. Условие электронейтральности.
  2. Явления переноса в полупроводниках в условиях стационарного равновесия. Дрейфовые и диффузионные электропроводности.
  3. Неравновесные процессы в полупроводниках. Процессы генерации и рекомбинации. Уровни инжекции. Межзонные процессы.
  4. Неравновесные процессы в полупроводниках. Внутреннее электрическое поле. Явление переноса в динамически неравновесном состоянии. Уравнение непрерывности. Уравнение Пуассона.
  5. Равновесное состояние в p-n-переходе. Высота потенциального барьера. Внутреннее электрическое поле. Толщина обедненного слоя.
  6. Работа p-n-перехода при внешнем напряжении. Полупроводниковый диод. Уравнение Шокли. Явление пробоя.
  7. МОП-транзистор. Структура и принцип работы. Режимы обогащения, обеднения и инверсии. Вольт-амперные характеристики. Ненасыщенный режим. Режим насыщения.
  8. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Структура и принцип работы. Рабочие характеристики.
  9. Структура биполярного транзистора и принципы его работы. Модель Эберса-Молла. Рабочие характеристики.
  10. Интегральные схемы. Классификация. Производственные процессы.
Квантовая радиофизика
  1. Свойства лазерного излучения.
  2. Принцип работы лазера.
  3. Основные типы лазеров.
  4. Вероятность спонтанного излучения.
  5. КПД накачки.
  6. Явление насыщения.
  7. Лазеры с модулированной добротностью.
  8. Устойчивые и неустойчивые резонаторы
Основы цифровой электроники
  1. Комбинаторная логика. Основные логические элементы. Дизъюнктивная нормальная форма. Карты Карно.
  2. Потенциальные RS и D триггеры. Динамические D и T триггеры. Свойства и структура.
  3. Асинхронные и синхронные счетчики-делители. Построение счетчиков по производному модулю.
  4. Регистры. Основные типы: параллельные, сдвиговые. Структура, использование.
  5. Полупроводниковая память. ПЗУ и ОЗУ. Основные типы: EEPROM, FLASH, SRAM, DRAM.
Основы аналоговой электроники
  1. Интегрирующие RC-цепи и дифференцирующие RC-цепи.
  2. RC-фильтр высоких частот. RC-фильтр низких частот. Амплитудно-частотная характеристика и фазовая характеристика.
  3. Усилитель с общим эмиттером. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление. Модель Эберса-Молла.
  4. Полевые транзисторы с p-n-переходом. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Устройство и основные параметры.
  5. Операционные усилители. Основные схемы включения. Основные отличия реального операционного усилителя от идеального.

2. Справочный материал, разрешенный к использованию на экзамене

  1. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов, Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К., 2006
  2. Другие литературные источники, имеющие статус справочника.