固体物理 电子教案 3.3能量量子化、声子
固体物理电子教案黄昆
固体物理电子教案黄昆教案章节：第一章引言教学目标：1. 了解固体物理的基本概念和研究内容。
2. 掌握固体物理的基本研究方法和手段。
3. 理解固体物理的重要性和在现代科技中的应用。
教学内容：1. 固体物理的基本概念和研究内容：固体物质的性质、晶体结构、电子态等。
2. 固体物理的基本研究方法：实验方法、理论方法和计算方法。
3. 固体物理的重要性和在现代科技中的应用：半导体器件、超导材料、磁性材料等。
教学活动：1. 引入固体物理的概念，引导学生思考固体物质的性质和特点。
2. 通过示例和图片，介绍晶体结构的基本类型和特点。
3. 讲解电子态的概念，引导学生了解固体中电子的分布和行为。
4. 介绍固体物理的基本研究方法，如实验方法、理论方法和计算方法。
5. 通过实际案例，展示固体物理在现代科技中的应用和重要性。
教学评估：1. 进行课堂提问，检查学生对固体物理基本概念的理解。
2. 布置课后作业，要求学生掌握晶体结构的基本类型和特点。
3. 进行小组讨论，让学生展示对固体物理研究方法的理解。
教案章节：第二章晶体结构1. 掌握晶体结构的基本概念和分类。
2. 了解晶体结构的空间点阵和晶胞参数。
3. 理解晶体结构的物理性质和电子态。
教学内容：1. 晶体结构的基本概念：晶体的定义、晶体的特点。
2. 晶体结构的分类：离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶体。
3. 晶体结构的空间点阵：点阵的定义、点阵的类型。
4. 晶胞参数：晶胞的定义、晶胞的类型。
5. 晶体结构的物理性质和电子态：电性质、热性质、光学性质等。
教学活动：1. 通过示例和图片，引入晶体结构的概念，引导学生了解晶体的特点。
2. 讲解晶体结构的分类，让学生掌握不同类型晶体的特点。
3. 介绍晶体结构的空间点阵，引导学生了解点阵的定义和类型。
4. 讲解晶胞参数的概念，让学生掌握晶胞的定义和类型。
5. 通过示例和图片，介绍晶体结构的物理性质和电子态，引导学生理解其重要性。
教学评估：1. 进行课堂提问，检查学生对晶体结构基本概念的理解。
固体物理第三章3-8
三、德拜模型
模型基本思想：把格波当成弹性波来处理。
E n( ) e k BT 1
设固体介质是各向同性的，由弹性波的色散关系 = vq 可知，三维波矢空间内，弹性波的等频面是个球面，则
§ 3.3 一、简正振动
简正振动 声子
相互作用势能是原子偏离平衡位置位移的函数。
1 A B ' U 0 m n 2 i j rij rij
设N个原子的位移矢量分别为 (u1, u2, u3)， (u3, u4, u5)，…， (U3N-2, U3N-1, u3N)。 则 U = U(u1, u2, …, u3N)
一维简单原子链，波矢q的格波的总动量
N d N it Pq m un imAe eiqna dt n 1 n 1
q
2l Na
Pq imAeit e
n 1
N
i
2nl N
imAeit
e
i
2l N
1 e 0
i 2l i 2l N
标准简谐阵子振动方程
只有频率的模式振动时，解为：
Q A sin t
则：
每一个原子都以相同的频率作 振动，这是最基本的振动方式， 称为格波的简正振动。
ai ui A sin t , mi
i 1,2 , ,3 N .
实际的（原子振动）格波振动如何？
§3.6 晶格振动热容理论 一、热容理论
固体的定容热容
E CV ( )V T
— 固体的平均内能
—— 固体内能包括晶格振动的能量和电子热运动的能量 实验结果：低温下，金属的热容
CV T AT 3
T
3-3(黄昆-固体物理)-教案
§3.3 一维双原子链 声学波和光学波1. 教学目的和要求: 通过讲解一维双原子链波动方程的求解，使学生理解并掌握声学波和光学的概念。
2．教学重点：声学波和光学的概念。
3．教学难点：一维双原子链波动方程的建立及求解。
4．讲授时间：90分钟。
5．讲授方式：PPT 文档。
6．作业：3.2，3.3。
一．一维双原子链的概念一维复式格子的情形_____一维无限长链P 和Q 两种不同原子：m 、M （M>m ）构成的一维复式格子相邻同种原子间的距离为2a —— 复式格子的晶格常数。
如图XCH003_005所示。
质量为M 的原子位于2n-1， 2n+1， 2n+3 ……。
质量为m 的原子位于2n ， 2n+2， 2n+4 ……。
二．一维双原子链的波动方程及其解牛顿运动方程：2221212121222(2)(2)n n n n n n n n m M μβμμμμβμμμ+-+++=---=--- ——体系N 个原胞，有2N 个独立的方程方程解的形式：[(2)]2[(21)]21i t na q n i t n aq n Ae Be ωωμμ--++==因为M>m ，复式格子中不同原子振动的振幅一般来说是不同的。
将[(2)]2[(21)]21i t na q n i t n aq n Ae Be ωωμμ--++==带回到运动方程得到：2222()2(2)(2cos )0()2(2cos )(2)0iaq iaq iaq iaq m A e e B A m A aq B M B e e A B aq A M B ωβββωβωββββω--⎫⎫-=+-+--=⎪⎪⇒⎬⎬-=+--+-=⎪⎪⎭⎭若A 、B 有非零的解，系数行列式满足： 2222cos 02cos 2m aq aqM βωβββω--=--三．一维双原子链的色散关系12222()4{1[1sin ]}()m M mM aq mM m M ωβ+=±-+ 一维复式晶格的结果与一维单原子晶格的情形比较，ω与q 之间存在着两种不同的色散关系一维复式格子晶体中可以存在两种独立的格波两种不同的格波的色散关系：1222212222()4{1[1sin ]}()()4{1[1sin ]}()m M mM aq mM m M m M mM aq mM m M ωβωβ+-+=+-++=--+如图XCH003_006_01所示。
固体物理教学教案
能够掌握固体物理的基本概念和原理 能够运用固体物理知识解决实际问题 能够理解和分析固体物理实验数据 能够进行固体物理实验的设计和操作
培养学生对固体物理学的兴趣和好奇心 增强学生对自然界规律的探索欲望和求知欲 培养学生的科学素养和科学精神 培养学生的团队协作精神和沟通能力
PART THREE
内容：包括晶体结构、能带理 论、电子传导、光学性质等。
和表达能力
自我评价：引导 学生进行自我评 价，反思自己的 学习过程和成果， 提高学生的自我 认知和自我管理
能力
课堂互动：教师与学生之间的 交流与沟通
作业与测验：对学生掌握知识 程度的评估
问卷调查：了解学生对教学的 满意度和意见
个别谈话：针对学生的个性差 异进行指导与建议
针对学生反馈，调整教学内容和方法 增加实验和实践环节，提高学生动手能力 加强课堂互动，鼓励学生提问和讨论 定期评估教学效果，及时调整教学策略
实验目的：帮助学生理解物 理概念和原理
演示方法：教师演示和学生 分组实验相结合
实验与演示的作用：培养学生 观察、分析和解决问题的能力
PART FIVE
固体物理的基本概念和原理
固体材料的物理性质和应用
添加标题
添加标题
晶体的结构和性质
添加标题
添加标题
固体物理实验方法和实验数据处理
固体物理的基本 概念和原理
晶体结构和物理 性质的关系
固体物理中的能 带理论和电子态
固体物理实验方 法和数据处理
教学方法：采用启发式、 探究式、案例分析等多 种教学方法，激发学生 的学习兴趣和主动性。
教学手段：利用多媒体、 实验、模型等手段辅助 教学，帮助学生更好地 理解抽象的物理概念和 原理。
固体物理33能量量子化声子
本节主要内容: 3.3.1 能量量子化 3.3.2 声子
晶格 振动
简谐 格波 近似
独立的振 由B--K q分 动模式 边界条件 立值
晶格振动能 量量子化
声子
§3.3 能量量子化 声子
3.3.1 能量量子化
一维单原子链的情况 xn( q ,t ) Aeit naq
q1 1
为。 声子不是真实的粒子，称为“准粒子”，它反映的是晶格原子
集体运动状态的激发单元。声子只存在于晶体中，脱离晶体后
就没有意义了。
2.一个格波(一种振动模式)，称为一种声子(一个，q就是
一种声子)，当这种振动模式处于
ni
1 2
i
本征态时，称为
有ni个声子，ni为这种声子的声子数。
3.由于晶体中可以激发任意个相同的声子，所以声子是玻 色型的准粒子，遵循玻色统计。
q q,
1
eina (qq) 1
Nn
T
1
m
.
x
n
2
2n
.
xn(t)
1 Nm
.
Q q (t )einaq ,
q
T 1
2N
n
.
Q q (t )einaq
.
Qq (t )einaq ,
q
q
1
2 q
q
.
.
1
Qq (t ) Qq (t ) N
e , ina(qq )
n
1 2
q
q
q 2π s Na
q 2π s Na
q q 2π ( s s ) 2π l h
Na
Na
1
N
n
《第十三章 5 能量量子化》学历案-高中物理人教版19必修第三册
《能量量子化》学历案（第一课时）一、学习主题本课学习主题为“能量量子化”，是高中物理课程中的重要内容。
通过本课的学习，学生将了解量子化的基本概念，掌握能量量子化的基本原理及其在物理学中的应用。
二、学习目标1. 知识与理解：掌握能量量子化的基本概念，理解量子化与经典物理的区别和联系。
2. 过程与方法：通过观察、实验、讨论等学习活动，培养科学探究能力和独立思考能力。
3. 情感态度与价值观：培养学生对物理学的兴趣和好奇心，树立科学的世界观和人生观。
三、评价任务1. 课堂表现评价：通过学生的课堂发言、小组讨论及互动表现，评价学生对能量量子化概念的理解程度。
2. 作业评价：布置相关习题，评价学生对能量量子化原理的掌握情况及运用能力。
3. 实验操作评价：通过学生实验操作的过程和结果，评价学生的实验技能和科学探究能力。
四、学习过程1. 导入新课：通过回顾经典物理中的能量连续性概念，引出量子化思想，并介绍量子力学的发展历程。
2. 概念讲解：讲解能量量子化的基本概念，包括量子、能级、跃迁等，并阐述量子化与经典物理的区别和联系。
3. 实例分析：通过具体实例（如氢原子的能级结构）分析能量量子化的应用，加深学生对能量量子化概念的理解。
4. 实验演示：进行相关实验演示，如光电效应实验等，让学生直观感受量子化的现象。
5. 小组讨论：学生分组进行讨论，分享对能量量子化的理解和应用，培养团队协作能力和交流表达能力。
6. 课堂小结：总结本课学习内容，强调能量量子化的基本概念及其在物理学中的应用。
五、检测与作业1. 课堂检测：通过课堂小测验或课堂练习的形式，检测学生对能量量子化概念的理解和掌握情况。
2. 作业布置：布置相关习题和阅读材料，要求学生完成并提交作业，以巩固学生对能量量子化原理的掌握。
3. 实验报告：要求学生完成实验报告，记录实验过程和结果，并分析讨论实验结果与能量量子化原理的关系。
六、学后反思1. 学生反思：学生应反思本课学习的过程和结果，总结自己的收获和不足，为今后的学习提供参考。
固体物理：3.3 简正振动和声子
Qq (t)einaq
q
1
1
T
2
Qq Qq'
q,q'
N
1 ina(q' q)
[e ] 2 Q Q n
q q' q' ,q q,q'
因为
1
2
q
Qq Qq
Qq (t)= NmAqeiqt
Qq (t)= NmAqeiqt = NmAqeiqt Qq (t)
T 1 2
q
Qq Qq
1 2
上式实际上是代表 xn (在t) q空间的傅里叶变换.
E T U 1
2
q
•
2
1 2
q2 Qq 2
q
推导略
晶格系统总能量：
E T U 1
2
q
•
2
1 2
q2 Qq 2
q
经典谐振子能量：
i
1 2
mx2
1 2
kx2
简正坐标
i
1 2
Q2
1 Q2
2
由N个原子组成的一维晶体，其晶格振动能量可看成 N个谐振子的能量之和.
它的能量等于一个格波一种振动模式称为一种声子一个q就是一当这种振动模式处于本征态时称为声子的准动量光子的频率正比于它的波矢q它带有动量因为声子的频率是波矢q的周期函数时不会引起频率和原子位移的变化
§3.3 简正振动和声子
前面我们根据牛顿定理用直接解运动方程的方法，求解 一维原子链的振动模，得出如下结论： • 晶体中原子的集体振动——格波，可展开成简谐平面波 的线性叠加。. • 对微弱振动，可做简谐近似，每个格波就是一个简谐波， 格波之间的相互作用可忽略，形成独立格波模式。既在 简谐近似下，晶体中存在3pN个独立的简谐格波，晶体 中任一原子的实际振动状态由这3pN个简谐格波共同决 定 • 在波恩-卡门周期性边界条件下，得出分立的独立格波模 式，可用独立简谐振子来表述。 下面我们根据分析力学原理，引入简正坐标，直接过渡到 量子理论。并引入声子概念——晶格振动中的简谐振子 的能量量子
固体物理电子教案黄昆
固体物理电子教案黄昆第一章：引言1.1 固体物理的基本概念介绍固体的定义和特点讨论固体的分类和结构1.2 固体物理的发展历程回顾固体物理的发展简史介绍固体物理的重要科学家和贡献1.3 固体物理的研究方法介绍固体物理的研究方法和手段讨论实验技术和理论模型第二章：晶体结构2.1 晶体的基本概念介绍晶体的定义和特点讨论晶体的分类和空间群2.2 晶体的点阵结构介绍点阵的定义和类型讨论晶体的点阵参数和坐标描述2.3 晶体的空间结构介绍晶体的空间结构类型讨论晶体的空间群和空间点阵的对应关系第三章：固体物理的电子结构3.1 电子的基本概念介绍电子的定义和性质讨论电子的亚层和轨道3.2 电子的能级和态密度介绍电子能级的概念和计算方法讨论态密度和能带结构3.3 电子的输运性质介绍电子输运的基本概念讨论电子输运的微观机制和宏观表现第四章：固体物理的能带理论4.1 能带理论的基本概念介绍能带理论的定义和意义讨论能带结构的类型和特征4.2 紧束缚近似和自由电子近似介绍紧束缚近似和自由电子近似的方法和应用讨论紧束缚近似和自由电子近似的结果和限制4.3 能带结构的计算和分析介绍能带结构的计算方法和技术讨论能带结构的结果和分析方法第五章：固体物理的实验技术5.1 实验技术的基本概念介绍固体物理实验技术的方法和手段讨论实验技术的原理和应用5.2 X射线衍射技术介绍X射线衍射技术的原理和应用讨论X射线衍射技术的实验操作和数据处理5.3 电子显微技术介绍电子显微技术的原理和应用讨论电子显微技术的实验操作和图像分析第六章：固体物理的电子光谱6.1 电子光谱的基本概念介绍电子光谱的定义和分类讨论电子光谱的实验测量和理论分析6.2 光电子能谱（PES）介绍光电子能谱的原理和应用讨论光电子能谱的实验操作和数据解析6.3 吸收光谱和发射光谱介绍吸收光谱和发射光谱的原理和特点讨论吸收光谱和发射光谱的应用和分析方法第七章：固体物理的电子性质7.1 电子迁移性和导电性介绍电子迁移性和导电性的定义和测量讨论电子迁移性和导电性的影响因素和机制7.2 电子的散射和碰撞介绍电子散射和碰撞的概念和类型讨论电子散射和碰撞对电子输运性质的影响7.3 电子的关联和相互作用介绍电子关联和相互作用的的概念和机制讨论电子关联和相互作用对固体物理性质的影响第八章：固体物理的半导体材料8.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义和特点讨论半导体的分类和制备方法8.2 半导体的能带结构介绍半导体能带结构的类型和特征讨论半导体的导电性质和应用8.3 半导体器件和集成电路介绍半导体器件和集成电路的基本原理和结构讨论半导体器件和集成电路的应用和发展趋势第九章：固体物理的超导材料9.1 超导体的基本概念介绍超导体的定义和特点讨论超导体的分类和制备方法9.2 超导体的能带结构和电子配对介绍超导体的能带结构和电子配对机制讨论超导体的临界温度和临界磁场9.3 超导体的应用和前景介绍超导体的应用领域和实例讨论超导体的前景和挑战第十章：固体物理的新材料探索10.1 新材料的基本概念介绍新材料的定义和特点讨论新材料的研究方法和手段10.2 新材料的制备和表征介绍新材料的制备方法和表征技术讨论新材料的性能和应用10.3 新材料的研究趋势和挑战介绍新材料研究的发展趋势和挑战讨论固体物理在新材料研究中的作用和意义重点解析本文教案主要介绍了固体物理的基本概念、晶体结构、电子结构、能带理论、实验技术、电子光谱、电子性质、半导体材料、超导材料以及新材料探索等内容。
能量量子化教学+课件-2023-2024学年高二上学期物理人教版(2019)必修第三册
新知讲解
在研究黑体辐射规律时，人们发现用经典的电磁理论解释 黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。为了得出同实 验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种 尝试，进行了激烈的思想斗争。最后他不得不承认：微观 世界的某些规律在我们宏观世界看来可能非常奇怪。
新知讲解
1.普朗克能量子假说 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε 的整数倍。例如， 可能是 ε 或 2ε、3ε……这个不可再分的最小能量值 ε叫作能量子。 2.能量子公式 ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s.(一般取h＝6.63×10－34 J·s)
（2）黑体辐射的特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑 体的温度有关。
新知讲解
（3）黑体辐射的实验规律
辐 射 强 度
随着温度的升高，一方面，各 种波长的辐射强度都有增加； 另一方面，辐射强度的极大值 向波长较短的方向移动。
λ 0 1 2 3 4 5 6 （μ m）
新知讲解
一般物体的热辐射除了与物体的温度有关外，还与材料的种类、表 面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温 度有关；而且黑体材料在加热到同样温度时，发出的热辐射比其他 物体强，因此黑体是用来建立热辐射定律的理想辐射体。为了理论 研究的需要，基尔霍夫提出了绝对黑体的理想模型，从而促进了黑 体辐射研究。在生活中烟煤是很接近理想黑体的材料。
（1）定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的 温度有关，所以叫作热辐射。 （2）热辐射的特点：所辐射电磁波的特征与温度有关。 室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。 当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。 大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而 有所不同。
【课程思政教学案例】《固体物理》课程
一、授课对象微电子科学与工程、光电信息科学与工程专业二年级本科生二、教学案例所在章节第五章第三节三、教学内容Bloch电子在磁场中的运动四、教学目标知识目标掌握Bloch电子在磁场中的运动图像（实空间和K空间）；推导并掌握朗道能级的物理本质；了解德哈斯范阿尔芬效应及回旋共振实验。
思政目标通过展示固体量子理论中，电子在垂直于磁场平面内的能量量子化效应（朗道能级），用来解释实验上的整数霍尔效应的台阶现象。
一方面，从基础理论中获取基本的物理本质用来解释实验，了解科学研究的要素，向学生弘扬实践检验真知的科学精神。
另一方面，通过霍尔台阶启发学生，人的生活中也存在一个个台阶，暂时的驻足有利于细致回顾与更好地出发，引导学生积极向上的学习和生活态度。
五、教学重难点重点：掌握Bloch电子在磁场中的运动图像及朗道能级的产生，进而理解电子在磁场下的运动产生的一些实验现象。
难点：朗道能级的物理本质六、授课形式与教学方法课堂讲授七、教学设计/过程（一）回顾Bloch电子在磁场下的运动恒定磁场中的准经典运动：以自由电子为例，在K空间，作匀速圆周运动；在实空间，沿磁场方向（z方向），电子作匀速运动，在垂直于磁场的平面内，电子作匀速圆周运动。
（二）Hall效应的实验现象，引出整数Hall效应固定B，改变栅电压以改变载流子数目，观察霍尔电压和栅电压的变化，霍尔电压呈现平台的地方，纵向电压为零，纵向电阻为零！控制栅电压保持电流密度不变，只改变磁场，也可看到霍尔电阻的平台和纵向电阻为零，如何解释这个现象呢？（三）学习朗道能级，并用其解释整数Hall效应晶体中电子在磁场中运动，当有磁场存在时，电子运动的哈密顿量引入了磁势项（这里需要复习一下电磁波的相关知识），求解得到本征能量。
根据量子理论，电子在垂直于磁场平面内的匀速圆周运动对应于一种简谐振动，其能量是量子化的。
我们将这种量子化的能级称为朗道能级（Landau level），用朗道能级的产生解释整数Hall效应。
选修33《固体》教案
选修33《固体》教案一、教学内容本节课我们将学习选修33《固体》的第一章“固体的结构与性质”，详细内容包括但不限于：晶体的基本结构、晶体缺陷、固体的电子性质、固体的热性质以及固体的光学性质。
二、教学目标1. 让学生了解和掌握固体的基本结构和性质，理解固体科学的基本概念。
2. 培养学生运用固体理论知识解决实际问题的能力。
3. 激发学生对固体物理学的兴趣，提高学生的科学素养。
三、教学难点与重点教学难点：晶体的缺陷类型及影响，固体的电子性质。
教学重点：晶体的基本结构，固体的热性质和光学性质。
四、教具与学具准备1. 教具：晶体模型，多媒体课件。
五、教学过程1. 实践情景引入：展示晶体模型，引导学生观察和思考晶体的特点。
2. 例题讲解：（1）讲解晶体的基本结构，如晶胞、晶格等。
（2）通过实例分析晶体缺陷的类型及对固体性质的影响。
（3）讲解固体的电子性质，如能带理论、导电性等。
（4）介绍固体的热性质和光学性质，如热传导、光的折射等。
3. 随堂练习：针对每个知识点，设计相关练习题，让学生及时巩固所学内容。
六、板书设计1. 《固体》2. 内容：（1）晶体的基本结构（2）晶体缺陷（3）固体的电子性质（4）固体的热性质（5）固体的光学性质七、作业设计1. 作业题目：（1）简述晶体的基本结构及其特点。
（2）列举三种晶体缺陷，并说明其对固体性质的影响。
（3）解释固体的电子性质，如能带理论、导电性等。
（4）阐述固体的热性质和光学性质。
2. 答案：见教材和课堂笔记。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：对本节课的教学效果进行自我评估，分析优点和不足，为下一节课做好准备。
2. 拓展延伸：（1）研究新型固体材料的性质和应用。
（2）探讨固体物理学在高新技术领域的应用，如半导体、光电子等。
（3）引导学生关注固体物理学的最新研究动态，提高学生的科学素养。
重点和难点解析1. 晶体缺陷的类型及对固体性质的影响。
2. 固体的电子性质，尤其是能带理论。
3.3能量量子化、声子
三维晶格（ 三维晶格（略）
∂U 1 3 N ∂ 2U ui + ∑ U = U0 + ∑ ∂u 2 i , j =1 ∂ui ∂u j i =1 i 0
3N
ui u j + ⋯ 0
1 3 N ∂ 2U U = ∑ 2 i , j =1 ∂ui ∂u j
β
[
][
]
=
∑∑Q 2m
q′ q
β
q′
(t )Qq (t )
1 i (q′+q)(n+1)a i (q′+q)na iq′a i (q′+q)na iqa i (q′+q)na +e −e e −e e ∑e N n
[
]
= =
β
2m
Qq′ (t)Qq (t) 1+1− eiq′a − eiqa δq′,−q ∑∑
波矢为q的格波的总动量
d P (q ) = m dt
∑
N
n =1
u n = − i ω mAe
− iω t
− iω t
e iqna ∑
n =1
N
P (q ) = − i ω mAe
= − i ω mAe
∑e
n =1
N
i
2 π nl N
2πl q= Na
i 2 π nl
− iω t
e
i
2 π nl N
i (qna−ωt )
q1 → ω 1
q2 → ω 2
un
q3 → ω 3
un(q,t ) = Aq(t )eiqna
un (t ) = ∑A (t )e q
q
固体物理电子教案黄昆
固体物理电子教案黄昆一、教案概述本教案以黄昆所著《固体物理》为基础，共分为十五个章节。
本教案将按照教材的结构和内容，为学生提供全面、系统的固体物理知识，帮助学生掌握固体物理的基本概念、理论和方法，培养学生的科学思维能力和实践能力。
二、教学目标1. 理解固体物理的基本概念，如晶体、非晶体、电子气等。
2. 掌握固体物理的基本理论，如能带理论、声子理论等。
3. 学会运用固体物理的方法，如计算、实验等，解决实际问题。
4. 提高科学思维能力，培养实践能力和创新精神。
三、教学内容第一章固体物理引论1.1 固体的分类与结构1.2 晶体的基本性质1.3 晶体的生长与制备1.4 晶体学基础第二章晶体的电子结构2.1 电子的基本性质2.2 电子在晶体中的排布2.3 能带理论2.4 半导体与绝缘体的电子结构第三章晶体的力学性质3.1 弹性与塑性3.2 硬度与韧性3.3 晶体塑性变形的基本原理3.4 晶体缺陷与力学性能的关系第四章晶体的高温超导性质4.1 超导现象的发现4.2 超导体的基本性质4.3 高温超导体的发现与发展4.4 高温超导体的微观机制第五章半导体物理5.1 半导体的基本性质5.2 能带结构与掺杂5.3 载流子与迁移率5.4 半导体器件与应用四、教学方法1. 讲授：讲解基本概念、理论和方法，引导学生理解固体物理的基本知识。
2. 讨论：组织学生针对实际问题进行讨论，培养学生的科学思维能力。
3. 实验：安排相应的实验，让学生动手操作，培养实践能力。
4. 作业：布置适量作业，巩固所学知识，提高解题能力。
五、教学评价1. 平时成绩：考察学生的出勤、课堂表现、作业完成情况等。
2. 期中考试：测试学生对固体物理基本知识的掌握程度。
3. 课程设计：要求学生完成一项固体物理相关的课程设计，培养实践能力。
4. 期末考试：全面测试学生对本课程的掌握程度。
六、晶体生长与制备技术6.1 概述晶体的生长方法6.2 熔融法晶体生长6.3 溶液法晶体生长6.4 化学气相沉积法晶体生长6.5 晶体生长的控制因素与技术挑战七、晶体学基础与应用7.1 晶体学基本概念7.2 晶体的点群与空间群7.3 晶体对称性分析7.4 X射线晶体学基本原理7.5 晶体学的应用与发展八、电子的能带理论8.1 电子的基本性质8.2 电子在晶体中的排布与能带结构8.3 能带理论的基本原理8.4 能带工程与半导体设计8.5 高温超导体的能带理论解释九、晶体的光学性质9.1 光的传播与折射9.2 晶体光学的基本原理9.3 晶体的吸收、发射与散射9.4 晶体光学性质的应用9.5 先进光学材料的研究与发展十、晶体的电性质10.1 晶体中的电荷载流子10.2 载流子的迁移与电导10.3 半导体与绝缘体的电性质10.4 晶体器件的制备与性能10.5 新型电性质材料的研究方向十一、声子与晶体热性质11.1 声子的基本概念11.2 晶体中的声子传播11.3 晶体热容与热导率11.4 晶体热泵与热交换技术11.5 低维晶体材料的热性质研究十二、晶体的磁性质12.1 磁性的基本概念12.2 晶体磁性的微观机制12.3 磁性材料的分类与性能12.4 磁性材料的应用与发展12.5 自旋电子学与新型磁性器件十三、半导体物理与器件13.1 半导体的基本性质13.2 能带结构与掺杂效应13.3 载流子迁移率与扩散13.4 半导体器件的制备与性能13.5 新型半导体器件的研究方向十四、纳米晶体与材料14.1 纳米晶体的基本概念14.2 纳米晶体的制备方法14.3 纳米晶体材料的性能与应用14.4 纳米晶体材料的制备与性能调控14.5 纳米晶体在未来科技中的挑战与机遇十五、固体物理在现代科技中的应用15.1 固体物理在信息技术中的应用15.2 固体物理在能源领域的应用15.3 固体物理在环境科学与技术中的应用15.4 固体物理在生物医学领域的应用15.5 固体物理在先进制造与工业领域的应用十一、声子与晶体热性质11.1 声子的基本概念11.2 晶体中的声子传播11.3 晶体热容与热导率11.4 晶体热泵与热交换技术11.5 低维晶体材料的热性质研究十二、晶体的磁性质12.1 磁性的基本概念12.2 晶体磁性的微观机制12.3 磁性材料的分类与性能12.4 磁性材料的应用与发展12.5 自旋电子学与新型磁性器件十三、半导体物理与器件13.1 半导体的基本性质13.2 能带结构与掺杂效应13.3 载流子迁移率与扩散13.4 半导体器件的制备与性能13.5 新型半导体器件的研究方向十四、纳米晶体与材料14.1 纳米晶体的基本概念14.2 纳米晶体的制备方法14.3 纳米晶体材料的性能与应用14.4 纳米晶体材料的制备与性能调控14.5 纳米晶体在未来科技中的挑战与机遇十五、固体物理在现代科技中的应用15.1 固体物理在信息技术中的应用15.2 固体物理在能源领域的应用15.3 固体物理在环境科学与技术中的应用15.4 固体物理在生物医学领域的应用15.5 固体物理在先进制造与工业领域的应用重点和难点解析教案的重点在于让学生掌握固体物理的基本概念、理论和方法，以及了解固体物理在现代科技领域的应用。
5能量量子化-人教版高中物理必修第三册(2019版)教案
5 能量量子化-人教版高中物理必修第三册(2019版)教案一、知识结构•能量量子化的基本概念•光电效应•晶体管二、教学目标1.了解能量量子化的基本概念及其相关实验。
2.掌握光电效应的原理和特点。
3.理解晶体管的结构和工作原理。
4.培养学生的实验探究能力。
三、教学重难点1.能量量子化的概念和实验。
2.光电效应的原理和特点。
3.晶体管的结构和工作原理。
四、教学过程1. 导入（5分钟）教师向学生介绍本节课的教学目标并与学生共同探讨以下问题：1.什么是量子力学？2.什么是能量量子化？3.能量量子化的实验有哪些？2. 学习内容（30分钟）1.能量量子化教师向学生介绍量子力学中能量量子化的概念，并引导学生进行实验探究。
实验一：利用汞灯和荧光屏观察光子的波粒二象性实验二：利用光电效应实验装置探究光子没有质量，但有能量2.光电效应教师介绍光电效应的原理和特点，并通过一些实验现象让学生更加深入地了解光电效应。
实验三：测量不同波长光的阈值电位实验四：测量光强对光电效应的影响3.晶体管教师向学生介绍晶体管的结构和工作原理，并通过实验加深学生对晶体管的理解。
实验五：观察NPN、PNP晶体管的工作原理3. 实验探究（40分钟）1.利用多个具有不同颜色的荧光物质和紫外线灯组成实验装置，利用波长分辨光子的性质探究光子在荧光物质中的行为（实验一）。
2.利用光电效应实验装置对不同波长光的阈值电位进行测量，进一步理解光电效应的机理（实验三）。
3.利用实验装置，观察光强对光电效应的影响，并探究光电效应的量子化特性（实验四）。
4.观察晶体管的结构，手动控制其工作状态，进一步了解晶体管的工作原理（实验五）。
4. 总结（10分钟）1.学生逐一总结所进行的实验内容以及获得的实验成果。
2.教师回顾本节课的教学内容，让学生更好地掌握本节课所学知识点。
五、教材参考人教版高中物理必修第三册（2019版）教材。
六、教学反思通过本节课的教学，学生对量子力学中能量量子化的概念和实验、光电效应、晶体管的结构和工作原理有了更深刻的认识。
《固体物理学》讲义(34章)
第三章晶体振动和晶体的热学性质（12学时）晶体内的原子并非在各自的平衡位置上固定不动，而是围绕其平衡位置作振动，并且由于原子之间存在着相互作用力，因而各个原子的振动是相互联系着的，这样在晶体中就形成了各种模式的机械波。
晶格振动对固体的比热、热膨胀、热导等性质有重要的影响。
本章将向大家介绍晶格振动的一般性质。
基本要求：掌握一维晶体振动模式的色散关系，晶格振动的量子化、声子的概念。
爱因斯坦模型和德拜模型解释固体的比热性质。
了解非谐效应，确定振动谱的实验方法以及晶格的自由能。
基本内容：1、一维原子链的振动，色散关系、格波2、晶格振动的量子化、声子，长波近似3、固体比热，爱因斯坦模型和德拜模型4、非简谐效应5、确定振动谱的实验方法，晶格的自由能重点：一维晶体振动模式的色散关系，晶格振动的量子化、声子的概念，爱因斯坦模型和德拜模型。
难点：晶格振动的量子化、声子的概念。
§3.1 一维原子链的振动晶格振动最简单的情形就是一维晶格的振动，本节将介绍一维原子链的振动情况及其色散关系。
通过简单情形的讨论，把所得的一些主要结论和主要方法加以推广，应用到复杂的三维晶格的振动。
一、一维简单格子的情形1、一维简单格子的振动晶体内的原子围绕其平衡位置在不停地振动，由于原子间存在着相互作用力，各个原子之间的振动相互关联，从而在晶体中形成了各种模式的机械波。
（1）、简谐近似和最近邻近似一维简单格子是最简单的情形，考虑一个一维原子链，每个原子具有相同的质量m，平衡时原子间距为a。
由于热运动各原子离开了平衡位置，用x n代表第n个原子离开平衡位置的位移，第n个和第n+1个原子间的相对位移就为x n+1-x n，和第n-1个原子间的相对位移就为x n-x n-1。
只考虑最近邻原子间的简谐相互作用，其恢复力常数为 。
（2）、运动方程对第n 个原子进行受力分析，列牛顿定律方程可得运动方程为:)()(1122-+---=n n n n nx x x x dtx d m ββ )2(1122n n n nx x x dtx d m -+=-+β（n=1、2、…、N ） 式中β为原子间简谐相互作用的恢复力常数。
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一种声子)，当这种振动模式处于
ni
1 2
i
本征态时，称为
有ni个声子，ni为这种声子的声子数。
3.由于晶体中可以激发任意个相同的声子，所以声子是玻 色型的准粒子，遵循玻色统计。
1 ni i
e kBT 1
4.当电子(或光子)与晶格振动相互作用时，交换能量以 为单位，若电子从晶格获得 能量，称为吸收一个声子，若 电子给晶格 能量，称为发射一个声子。
格波(晶格振动)的能量量子------声子。
3.3.2 声子
1.声子是晶格振动的能量量子，其能量为 ，“准动量”q
为。 声子不是真实的粒子，称为“准粒子”，它反映的是晶格原子
集体运动状态的激发单元。声子只存在于晶体中，脱离晶体后
就没有意义了。
2.一个格波(一种振动模式)，称为一种声子(一个，q就是
q1 1
q2 2 q3 3
xn
xn( q ,t
)
Aq( t
einaq
)
由玻恩-卡门周期性边界条件：q可以取N个值。
xn (t )
A einaq q(t )
q
根据经典力学，系统的总能量为势能U和动能T之和。
H
T
U
1 2
m
n
.
xn
2
2
(xn
n
q
2m
q
Qq (t )Qq (t ) 1 1 eiaq eiaq
2m
Qq (t )Qq (t )2
q
2cos aq
1 2
q
Qq*
(t
(t
)
4
m
s in 2
aq 2
1 2
q
2 q
2
,
广义动量：Pq
L .
* n
(t
)
xn (t)
Qq (t) Qq* (t)
1
(2)证明： N
1
N
e ina (qq ) q ,q n
e i(nn)aq n ,n q
若 q q, s, s,l 均为整数。
q 2π s Na
q 2π s Na
inaq
i ( n1)aq
inaq
Nn
2m q
Qq ( t )Qq ( t )
q
1
e e i ( n1 )a ( qq )
ina ( q q )
N
n
e e iaq ina ( qq
)
e e iaq ina ( qq )
xn (t )
1 Nm
Qq (t )einaq ,
q
(1)证明：Qq(t) Q*q(t)
xn(t)
x*n (t )
1
Nm
Qq (t )einaq ,
q
1
Nm
Qq* (t )einaq ,
q
xn (t)
1 Nm
Qq (t )einaq ,
q
Xn(t)是实数，x
2m q
Qq (t )Qq (t )
q
1
e e i ( n1)a (qq )
ina ( qq )
N
n
e e iaq
ina (
)
e e iaq ina( qq
)
2m q
Qq (t )Qq (t ) 1 1 eiaq eiaq q,q
q q,
1
eina (qq) 1
Nn
T
1
m
.
x
n
2
2n
.
xn(t)
1 Nm
.
Q q (t )einaq ,
q
T 1
2N
n
.
Qq (t )einaq
.
Qq (t )einaq ,
q
q
1
2 q
q
.
.
1
Qq (t )Qq (t ) N
第三节 能量量子化、声子
本节主要内容: 3.3.1 能量量子化 3.3.2 声子
晶格 振动
简谐 格波 近似
独立的振 由B--K q分 动模式 边界条件 立值
晶格振动能 量量子化
声子
§3.3 能量量子化 声子
3.3.1 能量量子化
一维单原子链的情况 xn( q ,t ) Aeit naq
据量子力学，频率为i的谐振子的振动能：
E( i )
(ni
1 2
)
i
晶格振动能量：E
N
i 1
ni
1 2
i
三维晶格振动的总能量为：
E
3nN
i 1
ni
1 2
i
其中N为晶体中的原胞个数,n为每个原胞中的原子个数。
晶格振动的能量是量子化的，能量单位为 。
.
哈密顿函数：H Pq Qq L q
1 2
q
.
2
2 q
2
又：
.
Pq
H
..
Q
q
2 q
0
..
k
o
q2Qq
m
谐振子的振动方程
X f ma
..
kx m x
x
..
x
k
x0
m
..
x 2x 0
由N个原子组成的一维单原子链的振动等价于N个谐振子 的振动，谐振子的振动频率就是晶格振动频率。
n
e , ina(qq )
1 2
q
q
.
Q
q
(t
)
.
Q
q
(t
)
q , q
,
1 2
q
.
Q
q
(t
)
.
Q
q
(t
)
Qq (t) Qq* (t)
1 2
q
.
Q
* q
(t
)
.
Q
q
(t
)
1 2
q
.
2
U
2
( xn1
n
xn )2
2Nm n
q q 2π ( s s ) 2π l h
Na
Na
1
N
n
e ina (qq)
1 N
N 1
e inah
n0
1 N
N 1
(e iah )n
n0
1 N
1 eiNah 1 eiah
iNa 2π l
1 N
1e
Na ia 2π l
0
1 e Na
Qq (t )e i ( n1)aq Qq (t )e inaq
q
Qq (t )e i (n1)aq Qq (t )e inaq
q
2m q
Qq ( t )Qq ( t )
q
1
e e e e i ( n1)aq
xn1 )2
令
xn(t)
1 Nm
Qq (t )einaq ,
q
则： T
1 2
m
n
.
xn
2
1
2q
.
2
U
2
( xn
n
xn1 )2
1 2
q
2 q
2
,
拉格朗日函数：L T U
1 2
q
.
2
2 q
2
推导略