| Закреплена за кафедрой | Кафедра радиофизики и теоретической физики |
|---|---|
| Направление подготовки | 1.3.2.. Приборы и методы экспериментальной физики |
| Форма обучения | Очная |
| Общая трудоемкость | 9 ЗЕТ |
| Учебный план | 1_3_2 Приборы и методы экспериментальной физики_2023 |
|
Распределение часов по семестрам
| Курс (семестр) | 2 (3) | Итого | ||
|---|---|---|---|---|
| Недель | 15 | |||
| Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
| Лекции | 36 | 36 | 36 | 36 |
| Практические | 36 | 36 | 36 | 36 |
| Сам. работа | 252 | 252 | 252 | 252 |
| Итого | 324 | 324 | 324 | 324 |
| 1.1. |
|---|
| Цикл (раздел) ООП: 2.1.1 |
| ПК-3 | Способен демонстрировать системное понимание в профессиональной области и получать научные результаты, удовлетворяющие установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по специальности Приборы и методы экспериментальной физики |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | |
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Методы измерения основных физических величин | ||||||
| 1.1. | Методы измерения времени. Учет эффектов общей теории относительности. Стандарты частоты и времени. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.1, Л1.2 |
| 1.2. | Методы измерения времени, погрешности измерений. Измерение частот в радиодиапазоне. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.1, Л1.2 |
| 1.3. | Методы измерения времени. Учет эффектов общей теории относительности. Стандарты частоты и времени. Измерение частот в радиодиапазоне. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.4. | Методы и погрешности измерений координат, углов, длин. Мировые стандарты и эталоны. Методы измерения термодинамических величин. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.1, Л1.2 |
| 1.5. | Методы и погрешности измерений координат, углов, длин. Методы измерения температуры. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.1, Л1.2 |
| 1.6. | Методы и погрешности измерений координат, углов, длин. . Мировые стандарты и эталоны. Методы измерения термодинамических величин. Методы измерения температуры. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.7. | Радиоспектроскопия (эффект Зеемана, ядерный магнитный резонанс, томография). Электромагнитные измерения. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.8. | Способы регистрации радиоизлучения, методы регистрации в оптическом диапазоне: фотодиоды, фотоумножители, черенковские детекторы. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.9. | Радиоспектроскопия (эффект Зеемана, ядерный магнитный резонанс, томография). Электромагнитные измерения. Способы регистрации радиоизлучения, методы регистрации в оптическом диапазоне: фотодиоды, фотоумножители, черенковские детекторы. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.10. | Регистрация частиц и радиоактивных излучений (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, пропорциональные счетчики, стриммерные и искровые камеры, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, пузырьковые камеры, черенковские счетчики, ядерные фотоэмульсии). Дифференциальные, интерферометрические и другие методы измерений. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.11. | Шумы и помехи при измерении электрических, акустических и оптических величин. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.12. | Регистрация частиц и радиоактивных излучений (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, пропорциональные счетчики, стриммерные и искровые камеры, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, пузырьковые камеры, черенковские счетчики, ядерные фотоэмульсии). Дифференциальные, интерферометрические и другие методы измерений. Шумы и помехи при измерении электрических, акустических и оптических величин. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.13. | Нанотехнологии в измерительной технике | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.14. | Дозиметрические измерения и дозиметрические единицы; коэффициенты, учитывающие влияние радиации на живые организмы, эквивалентная доза. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 1.15. | Нанотехнологии в измерительной технике. Дозиметрические измерения и дозиметрические единицы; коэффициенты, учитывающие влияние радиации на живые организмы, эквивалентная доза. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| Раздел 2. Измерения | ||||||
| 2.1. | Системы единиц. Единая система единиц (СИ). Универсальные постоянные и естественные системы единиц. Производные единицы и стандарты. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.2. | Прямые, косвенные, статистические и динамические измерения. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.3. | Системы единиц. Единая система единиц (СИ). Универсальные постоянные и естественные системы единиц. Производные единицы и стандарты. Прямые, косвенные, статистические и динамические измерения. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.4. | Оценки погрешностей косвенных измерений. Условные измерения. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.5. | Проблема корреляций и уравновешивание условных измерений. Принципиальные ограничения на точность измерений (физические пределы). | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.6. | Оценки погрешностей косвенных измерений. Условные измерения. Проблема корреляций и уравновешивание условных измерений. Принципиальные ограничения на точность измерений (физические пределы). | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.7. | Методы измерений физических величин в исследуемой области физики. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.8. | Основные принципы построения приборов для измерений физических величин в заданной области физики. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.9. | Методы измерений физических величин в исследуемой области физики. Основные принципы построения приборов для измерений физических величин в заданной области физики. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.10. | Фундаментальные шумы в измерительных устройствах. Тепловой шум. Формула Найквиста. Теорема Каллена‒Вельтона. Дробовой шум в электронных и оптических приборах. Шумы 1/f. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.11. | Квантовые эффекты в физических измерениях. Условия, когда классический подход становится неприменим. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.12. | Фундаментальные шумы в измерительных устройствах. Тепловой шум. Формула Найквиста. Теорема Каллена‒Вельтона. Дробовой шум в электронных и оптических приборах. Шумы 1/f. Квантовые эффекты в физических измерениях. Условия, когда классический подход становится неприменим. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.13. | Соотношения неопределенности. Роль обратного флуктуационного влияния прибора. Стандартные квантовые пределы. Квантовые невозмущающие измерения. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.14. | Квантовые эталоны единиц физических величин (примеры). Эффект Джозефсона и сверхпроводящие квантовые интерферометры. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 2.15. | Соотношения неопределенности. Роль обратного флуктуационного влияния прибора. Стандартные квантовые пределы. Квантовые невозмущающие измерения. Квантовые эталоны единиц физических величин (примеры). Эффект Джозефсона и сверхпроводящие квантовые интерферометры. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| Раздел 3. Критерии точности измерений | ||||||
| 3.1. | Случайные события. Понятие вероятности. Условные вероятности. Распределение вероятности. Плотность вероятности. Моменты. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.2. | Специальные распределения вероятностей и их использование в физике. Биномиальное распределение, распределение Пуассона (дробовой шум), экспоненциальное распределение. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.3. | Случайные события. Понятие вероятности. Условные вероятности. Распределение вероятности. Плотность вероятности. Моменты. Специальные распределения вероятностей и их использование в физике. Биномиальное распределение, распределение Пуассона (дробовой шум), экспоненциальное распределение. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.4. | Случайные процессы. Эргодичность. Корреляционная функция случайного процесса. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.5. | Стационарные случайные процессы. Спектральная плотность. Теорема Винера—Хинчина. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.6. | Случайные процессы. Эргодичность. Корреляционная функция случайного процесса. Стационарные случайные процессы. Спектральная плотность. Теорема Винера—Хинчина. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.7. | Нормальное распределение и центральная предельная теорема. Многомерные распределения вероятностей. Корреляции случайных величин. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.8. | Оценка параметров случайных величин. Выборочные средние и дисперсии. Выборочные распределения. t-распределение Стьюдента, χ2-распределение. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.9. | Нормальное распределение и центральная предельная теорема. Многомерные распределения вероятностей. Корреляции случайных величин. Оценка параметров случайных величин. Выборочные средние и дисперсии. Выборочные распределения. t-распределение Стьюдента, χ2-распределение. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.10. | Определение средних значений измеряемых параметров и их погрешностей в прямых и косвенных измерениях. Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Средние и вероятные значения переменных. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.11. | Техника оценки параметров при асимметричных распределениях погрешностей. Суммирование результатов различных измерений. Робастные оценки. Параметрические и непараметрические оценки. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 3.12. | Определение средних значений измеряемых параметров и их погрешностей в прямых и косвенных измерениях. Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Средние и вероятные значения переменных. Техника оценки параметров при асимметричных распределениях погрешностей. Суммирование результатов различных измерений. Робастные оценки. Параметрические и непараметрические оценки. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| Раздел 4. Методы анализа физических измерений | ||||||
| 4.1. | Аналитическая аппроксимация результатов и измерений. Интерполяция (линейная, квадратичная, кубическая и т.п.). Фурье-анализ. Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье. Вейвлетный анализ. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 4.2. | Статистическая проверка гипотез. Критерии согласия и методы их использования. Критерий χ2, Смирнова—Колмогорова, Колмогорова. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 4.3. | Аналитическая аппроксимация результатов и измерений. Интерполяция (линейная, квадратичная, кубическая и т.п.). Фурье-анализ. Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье. Вейвлетный анализ. Статистическая проверка гипотез. Критерии согласия и методы их использования. Критерий χ2, Смирнова—Колмогорова, Колмогорова. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 4.4. | Прямые и обратные задачи. Некорректные задачи. Обратные задачи при анализе результатов измерений и методы их решения. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 4.5. | Метод максимального правдоподобия и его применение. Метод наименьших квадратов. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 4.6. | Прямые и обратные задачи. Некорректные задачи. Обратные задачи при анализе результатов измерений и методы их решения. Метод максимального правдоподобия и его применение. Метод наименьших квадратов. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| Раздел 5. Моделирование физических процессов | ||||||
| 5.1. | Аналитическое описание физических процессов. Планирование эксперимента, выбор метода и технических средств, методы оценки ожидаемых результатов и их погрешностей. Использование моделей физических процессов*. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 5.2. | Учет влияния прибора на результаты измерений. Моделирование с учетом особенностей используемых детекторов. Метод статистических испытаний, методика его применения. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 5.3. | Аналитическое описание физических процессов. Планирование эксперимента, выбор метода и технических средств, методы оценки ожидаемых результатов и их погрешностей. Использование моделей физических процессов*. Учет влияния прибора на результаты измерений. Моделирование с учетом особенностей используемых детекторов. Метод статистических испытаний, методика его применения. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| Раздел 6. Автоматизация эксперимента | ||||||
| 6.1. | Создание комплексных установок. Общие требования. Обработка информации «в линию» (on-line). Способы преобразования измерений для передачи на значительные расстояния. | Лекции | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 6.2. | Контроль процессов измерений в реальном времени. Способы вывода информации в реальном времени. Накопление экспериментальных данных, создание банков данных. | Практические | 3 | 2 | ПК-3 | Л1.2 |
| 6.3. | Создание комплексных установок. Общие требования. Обработка информации «в линию» (on-line). Способы преобразования измерений для передачи на значительные расстояния. Контроль процессов измерений в реальном времени. Способы вывода информации в реальном времени. Накопление экспериментальных данных, создание банков данных. | Сам. работа | 3 | 14 | ПК-3 | Л1.2 |
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| ОЦЕНКА СФОРМИРОВАННОСТИ КОМПЕТЕНЦИИ ПК-3 Способен демонстрировать системное понимание в профессиональной области и получать научные результаты, удовлетворяющие установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по специальности Приборы и методы экспериментальной физики. ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ЗАКРЫТОГО ТИПА Вопрос 1. На каком принципе основано действие газоразрядного счетчика Гейгера? а. На принципе конденсации перенасыщенных паров. б. На принципе образования пара в перегретой жидкости. в. На принципе ударной ионизации. Ответ: в Вопрос 2. С помощь какого прибора можно зарегистрировать величину радиационного излучения? а. Камера Вильсона б. Счетчик Гейгера в. Пузырьковая камера г. камера Вильсона и счетчик Гейгера Ответ: б Вопрос 3. На каком принципе основано действие пузырьковой камеры? а. ударной ионизации б. на принципе возникновения парообразования в перегретой жидкости в. на принципе конденсации перенасыщенных паров Ответ: б Вопрос 4. Укажите способ(ы), который(е) обеспечивает(ют) единство измерения: а. применение средств измерения, метрологические характеристики которых соответствуют установленным нормам б. определение систематических и случайных погрешностей, учет их в результатах измерений в. применение узаконенных единиц измерения Ответ: а, в Вопрос 5. Что такое «методика измерений»? а. совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности + б. совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины в. совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений Ответ: а Вопрос 5. Укажите принцип высокоточного измерения времени: а. использование высокоточных кварцевых часов; б. регистрация числа импульсов от высокоточного генератора нормальной частоты; в. более точная фиксация начала и конца интервала; г. применение более мелких единиц измерения времени. Ответ: б Вопрос 6. Укажите основные требования к измерениям. а. воспроизводимость результатов при повторных измерениях; б. единство измерений и точность измерений; в. отсутствие грубых промахов; г. использование высокоточной аппаратуры. Ответ: б |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| не предусмотрены |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| Как определялась единица времени при использовании астрономических методов измерения времени и как она определяется в настоящее время? Докажите, что среднеквадратичное значение случайной погрешности измерения интервала времени равно σ= T_0⁄√6, где T_0 – период счётных импульсов. Объясните алгоритм мгновенного измерения частоты (МИЧ) на основе формирования задержек. На основе каких принципов могут строиться лазерные датчики расстояния? Запишите выражения для импульсной и частотной характеристики согласованного фильтра. Охарактеризуйте ионизирующие излучения. Какие процессы могут иметь место при взаимодействии электронов и позитронов с веществом? Нарисуйте схематическое изображение рентгеновской трубки и поясните принцип её работы. Перечислите методы регистрации ионизирующих излучений и дайте их краткую характеристику. Перечислите типы детекторов радиоактивного излучения, работающих на основе ионизации газов. Как выглядят картины простого зеемановского расщепления спектральной линии в зависимости от направления наблюдения? Перечислите высокостабильные квантовые эффекты и приведите примеры их использования для воспроизведения единиц физических величин. Поясните сущность эффектов Холла и Джозефсона. Приведите примеры использования эффектов Холла и Джозефсона в метрологии. Поясните применение лазерных интерферометров для измерения типовых механических величин с высокой точностью. |
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Ю. И. Воронцов ; под ред. В. Б. Брагинского | Теория и методы макроскопических измерений: | М. : Наука, 1989 | |
| Л1.2 | И. В. Лютиков, А. Н. Фомин, В. А. Леусенко | Метрология и радиоизмерения : учебник | Лань, 2016 | e.lanbook.com |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | ЭБС «Лань» | e.lanbook.com | ||
| Э2 | ЭБС «Юрайт» | www.biblio-online.ru | ||
| Э3 | ЭБС "АлтГУ" | elibrary.asu.ru | ||
| Э4 | ЭБС «Университетская библиотека онлайн» | www.biblioclub.ru | ||
| Э5 | Приборы и методы экспериментальной физики Курс в ЭОИС АлтГУ [Электронный ресурс] | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| Microsoft Windows Microsoft Office 7-Zip AcrobatReaderMicrosoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||