物理学与行星和空间物理学 MPhys

Aberystwyth University - 阿伯里斯特威斯大学

本模块涵盖了定量研究物理概念和过程所需的基本代数。它还介绍了常微分方程，是声学和量子力学等课题的基础。

该模块讨论了由引力场和静电场产生的力，并通过反平方律和说明性的例子来描述这些力。还描述了相关的场和电势。电荷和电流、磁场和电磁感应被用来描述电路的运行以及电介质和磁性材料的特性。该模块还包括支撑原子、核和粒子物理学的基本物理学。

本模块的热物理部分涉及到与热能转化为功的过程，反之亦然。热学过程可以从宏观尺度和原子层面来理解。通过考虑气体系统，介绍了热力学的第三和第一定律以及热和功的概念。介绍了动力学理论的微观方法。光学是经典物理学最成功的分支之一，其应用遍及技术领域，从显微镜到光子学。本课程给出了关于波、几何和物理光学的基本理论。讨论了这些在现代技术中的应用.

该模块提供了一个经典的动力学理论的介绍。它包括三个主要部分，在简要回顾了矢量操作之后。第一部分包括经典运动学、牛顿运动定律、动量、力、功和机械能。第二部分介绍了旋转运动，并说明了与平移运动的相似之处。第三部分介绍了振荡理论，包括经典的谐波振荡器、共振和耦合振荡器。

实验是物理科学过程中的一个基本部分。它使我们能够了解我们周围的世界，发展理论并检验这些理论。在本模块中，你将学习进行实验的基本技术，进行测量，考虑测量的不确定性，分析结果并与理论进行比较。

成功完成本模块的学习后，学生应该能够勾画简单函数的图形；计算实值函数的极限；确定给定的函数是否连续；解释导数的概念并从第一原理计算导数；解释反函数的概念；推导出函数的积和商的导数公式；计算函数的导数；确定函数的局部最大值和最小值以及它们的拐点；通过代入和部分积分的方法计算积分；计算有理函数和三角函数的积分。.

本模块向学生介绍了一系列的软件包：文字处理软件、演示软件、电子表格和宏编程。它使用数学和物理学的思想来说明软件和技能在工作场所的应用。在该模块中，就业服务机构提供了一个技能意识方案，作为准备工作申请的指导。学生们以小组为单位，研究物理学专业毕业生可从事的职业，并使用所介绍的软件制作一份关于他们发现的海报。学生还准备并发表关于物理学主题的简短演讲，以个人为单位。

量子理论对于描述原子尺度上的物质和辐射之间的相互作用至关重要。然而，它与经典物理学有着本质的区别。本模块将介绍经典和量子力学不同的关键领域，研究实验证据，并发展量子力学的核心原理。狭义相对论是另一个背离了牛顿力学经典方法的领域。通过对关键实验的讨论，介绍了狭义相对论的概念和基本方程。

本模块的目的是研究数学中自然出现的几个变量的函数的情况。线性函数导致了线性方程的解法和基本矩阵理论的技术。非线性函数导致对偏导和多重积分的研究。

该模块考虑了光的波特性，包括干涉、衍射、散射和偏振。讨论了它们在光学仪器操作中的意义，例如对光学系统的分辨率限制。还介绍了它们在光学仪器和检测器中的应用，包括激光器、CCD、显微镜和望远镜。考虑了材料的光学特性和调查它们的椭圆测量法。

本模块发展了各种数学理论：矢量分析、微分方程和傅里叶分析。这些理论被应用于各种物理情况的建模和问题的解决；静电、磁学、引力、力学、热动力学、等离子体物理学、大气物理学和流体力学。

该课程概述了恒星的物理学，考虑到它们的形成、能量学和进化。PH18010为该模块提供了有用的背景，但作为先决条件并非必不可少。

在简要回顾了热力学的一些基本思想，包括热力学的第二和第一定律之后，本模块介绍了熵的概念及其统计意义、热力学发动机和冰箱、卡诺循环以及热力学的第二和第三定律。还介绍了热力学势和麦克斯韦关系，并考虑了实际气体和相变。介绍了统计力学的概念和技术，并用于将物质的微观行为与热力学参数联系起来。

有许多数学问题，要么不切实际，要么不可能用分析法解决，而必须用计算机的数字技术来解决。数学技术对物理学来说是必不可少的，因此，这种数字技术也是如此。在第一学期，本模块在科学Python Stack（核心Python语言的科学库/扩展）的大背景下介绍了Python。继介绍之后，在第二学期，本模块继续介绍数值分析、建模和统计的方法。这些技术的应用将通过实践研讨会实现。

该模块考虑了电和磁的物理规律。一部分侧重于电学，包括静电和电介质，另一部分包括磁场、磁性材料和电磁感应。讨论了适用于两种简单介质之间界面的电磁边界条件。物理定律用矢量微积分的微分算子表示，统称为麦克斯韦方程。

IMPACS已经开发了一个强大的研究领域，包括行星科学、行星表面的遥感和行星制图。这些研究领域与本模块直接相关，使我们能够在整个模块计划中提供有研究依据的教学。PH18010是可取的.

这个二年级的10个学分的模块介绍了量子物理学的标准方法。波函数的概念与随时间变化和随时间变化的施尔格方程以及不确定性原理一起被介绍。我们从自旋半系统开始介绍量子力学的形式主义，并归纳出基本定理。盒子里的粒子问题得到了详细的解决，并介绍了谐波振荡器和中心势（氢原子）的描述。

本课程提供了材料的原子、电子和磁性结构、其晶格动力学以及机械和热性能背后的物理学知识。从对晶体结构的描述开始，介绍了互换空间、能带、集体磁性和声子等概念。

该课程对太阳大气层和日光层的物理学进行了深入研究，包括太阳风和非磁化物体之间的耦合。

该模块研究太阳的物理学，我们最近的恒星。考虑了太阳的能量产生及其从太阳内部向太阳表面或光球的传输。讨论了太阳活动的原因及其对太阳的长期和短期影响。

本模块研究中性和电离大气的物理学，以及其上部区域与行星自身磁场和行星际磁场的互动。

该课程涵盖了等离子体物理学的要点，包括等离子体的性质、单个带电粒子在磁场中的运动、磁流体力学、等离子体中的波和不稳定性。该理论将通过行星际空间和行星磁层的例子来说明。

这个三年级，20学分的模块继续发展量子物理学，处理束缚状态（氢原子）、散射状态的标准情况，并进展到基本粒子物理学的介绍.

该模块提供了行星大气科学的概述。它为学生提供了流体动力学的基本技术，并应用这些技术来解释行星中性大气的组成、结构和行为。还讨论了建立行星大气模型的方法和制约因素。

本模块是理学士学生最后一年的物理项目，也是物理硕士学生的中间项目。所有的学生都将承担一个项目，他们将在个人项目导师的指导下分工合作，并在个人口头报告和最终项目报告中展示他们的成果。一些中间里程碑（文献搜索策略、全面的文献综述、项目计划和初步结果文件）的设计是为了使项目有重点，并确保整个年度的工作量分配大致相同。不同的项目需要不同数量的实验室工作、计算、分析等，但作为一个准则，花在项目上的总时间应该是400小时.

学生必须在导师的指导下完成大量的技术和书面工作，但需要自律、组织和主动性。这些项目通常涉及到开发一个软件，从最初的需求声明到规范和设计阶段，再到成功的实施和测试。对于有适当背景的学生，该项目可能包含硬件元素。其他项目可以研究技术领域，并开发软件和程序来评估这些领域。

该模块的重点是在物理学主题的背景下发展沟通和表达技巧。本课程考虑了两个互补的方面。第一个方面是在面向公众的书面文章中介绍物理学中的一个主题，并就该主题向同行的听众做简短的介绍。第二个方面涉及到被认为对成功实施研究项目很重要的沟通技巧。对于参加UNIS第二学期PHM5760上极地大气模块的学生来说，这第二个方面被演讲和口试所取代，.

本模块发展麦克斯韦方程及其对电磁波的应用。对于自由空间、导体和电介质，发展了电磁波的传输、反射、色散和吸收的完整理论。讨论电磁学定律的理论基础与特殊相对论的关系。介绍了电磁波产生的基础理论，讨论了赫兹偶极子和其他天线。

本模块建立在数值方法模块PH36010的基础上。介绍了解决（大型）同步线性方程组的方法。然后用于偏微分方程的数值求解。蒙特卡洛方法被介绍为一种通用方法。更具体地说，包括用于解决统计力学问题的Metropolis Monte Carlo方法。学生将实现这些算法并将其应用于简单的物理问题。

该模块将分六个不同的部分进行。其中三个将涵盖核心主题，是所有学生的必修课。在这些课程中，学生将获得与材料和空间物理研究以及工业相关的核心技能的经验。其余三个课程将从涵盖材料和空间物理学各方面的可选主题中选出。

量子力学对技术越来越重要。利用量子化学的技术，可以预测越来越大的分子的特性，从而在药物设计等方面得到应用。量子力学也在以更直接的方式导致新技术的出现，例如通过量子计算。本模块介绍了这些先进应用背后的一些理论。它介绍了变异理论和微扰理论，它们是现代量子化学的基础。此外，还介绍了算子理论的概念，目的是描述开放的量子系统。