2. Aplikovaná fyzika

Garantující pracoviště: Katedra fyziky kondenzovaných látek
Oborový garant: prof. RNDr. Radomír Kužel, CSc.

Charakteristika studijního oboru:
Obor Aplikovaná fyzika připravuje studenty k nástupu do praxe po absolvování bakalářského studia. Studenti získají potřebné znalosti ze základních oborů fyziky a široké znalosti matematických a numerických metod se zaměřením na jejich používání. Důraz je kladen na výuku experimentální fyziky a provázání přednášek s praktickými cvičeními v laboratořích. Od třetího semestru se studentům doporučuje profilovat dle zvoleného tématického okruhu tak, aby byli schopni nastoupit do praxe s příslušným zaměřením, vybraným blokem přednášek, ke kterému jsou vedeni systémem neslučitelností a prerekvizit mezi předměty.

Cíle studia:
Cílem studia studijního oboru Aplikovaná fyzika je poskytnout studentům ucelené znalosti z experimentální fyziky a základů teoretické fyziky, matematiky a numerických metod v míře nezbytné pro praktické řešení problémů aplikované fyziky. Na tento společný základ navazují od druhého roku studia povinně volitelné a volitelné předměty, s jejichž pomocí může student získat základní znalosti ve čtyřech konkrétních fyzikálních oborech.

Profil absolventa:
Absolvent studijního oboru Aplikovaná fyzika má ucelené znalosti v experimentální fyzice včetně teoretických základů. Získává dále znalosti matematiky a numerických metod nezbytné pro praktické řešení problémů v aplikační praxi. Studenti naleznou uplatnění všude tam, kde se předpokládá dobrá znalost různých experimentálních technik fyziky s důrazem na praktické aplikace, zpravidla bez ambicí na provádění pokročilého vědeckého výzkumu. Vzhledem k tomu se studenti významně profilují dle jednotlivých tématických okruhů. Tématický okruh Fyzika materiálů je zaměřen především na získání znalostí moderních fyzikálních diagnostických metod zejména v oblasti fyziky kondenzovaných látek, jejich principů, možností a souvislostí, základních znalostí z chemie a elektroniky. Pro okruh Optika a optoelektronika je výuka zaměřena na získání teoretických a praktických znalostí z optiky a fyziky pevných látek, které jsou důležité pro aplikace ve fotonice a optoelektronice. Ve Fyzice pro biomedicínu je důraz věnován na získání znalostí v oborech fyziky, chemie a biologie potřebných pro hlubší pochopení zejména fyzikálních principů a funkcí přístrojové lékařské techniky, ale i jejich konstrukci a zásadám manipulace. V tématickém okruhu Užitá meteorologie se studenti zaměřují na aplikovanou meteorologii a klimatologii, problematiku kvality ovzduší. Vhodným uplatněním absolventů tématického okruhu Fyzika materiálů jsou zejména laboratoře aplikovaného materiálového výzkumu a vývoje, zkušební laboratoře strojírenského, elektrotechnického, metalurgického a chemického průmyslu, ústavy zaměřené na ochranu a modifikaci materiálů a pracoviště v hygienické a ekologické službě. Absolvent tématického okruhu Optika a optoelektronika má základní teoretické a praktické znalosti z optiky a fyziky pevných látek. Rozumí fyzikálním principům použitým při konstrukci laserů, polovodičových diod, optických vláken a vlnovodů, metodám zpracování obrazu, optické spektroskopii, konstrukci detektorů světla a solárních článků. To mu umožňuje se uplatnit ve firmách, které se věnují návrhu, výrobě a montáži prvků pro optické komunikace, laserové aplikace, fotovoltaiku, nebo v polovodičovém průmyslu. Tématický okruh Fyzika pro biomedicínu připravuje absolventy k uplatnění ve vývojových pracovištích a firmách zabývajících se biomedicínskou technikou a na pracovištích biologicky a medicínsky zaměřeného výzkumu a vývoje. Absolventi budou schopni spolupracovat ve vývojových týmech laboratoří experimentálního výzkumu, konstrukčních i zkušebních laboratořích především tam, kde je třeba hlubší pochopení fyzikálních principů využitých v diagnostických a monitorovacích přístrojích a přístrojích pro terapii. Student tématického okruhu Užitá meteorologie a klimatologie získá během studia základní znalosti nutné k tomu, aby se bez problémů mohl orientovat v provozní problematice souvisejicí např. se synoptickou a leteckou meteorologií, problematikou kvality ovzduší nebo užitou klimatologií a do činnosti v těchto oborech se mohl okamžitě zapojit. Předpokládá se uplatnění zejména v Českém hydrometeorologickém ústavu případně v dalších institucích, ve kterých se může zabývat problematikou užité meteorologie a klimatologie, kvality ovzduší nebo tzv. technickou meteorologií.

Doporučený průběh studia

Předměty povinné ke státní závěrečné zkoušce jsou vytištěny tučně, povinně volitelné předměty normálním písmem, doporučené volitelné předměty kurzívou.

1. rok studia
kódPředmětKredityZSLS
NAFY001Mechanika a kontinuum 84/2 Z+Zk
NAFY003Úvod do praktické fyziky 20/1 Z
NAFY004Praktická fyzika I - mechanika a kontinuum 40/3 KZ
NMAF071Aplikovaná matematika I 73/3 Z+Zk
NAFY008Práce s počítačem a programování 52/2 KZ
NTVY014Tělesná výchova I110/2 Z
NAFY002Elektřina a magnetismus 84/2 Z+Zk
NAFY005Praktická fyzika II — elektřina a magnetismus 40/3 KZ
NMAF072Aplikovaná matematika II 73/3 Z+Zk
NAFY009Termodynamika a statistická fyzika 63/2 Z+Zk
NTVY015Tělesná výchova II110/2 Z
 Kurz bezpečnosti práce I20  
NJAZ070Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé I310/2 Z
NOFY002Proseminář z matematických metod fyziky 20/2 Z
NOFY067Fyzika v experimentech I 21/0 Z
NJAZ072Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé II310/2 Z
NOFY068Fyzika v experimentech II 21/0 Z

1 Místo jednoho z předmětů NTVY014, NTVY015, NTVY016 a NTVY017 je možné si zapsat letní výcvikový kurz NTVY018 nebo zimní výcvikový kurz NTVY019. Tyto kurzy může student absolvovat kdykoli v průběhu bakalářského studia.

2Kurz je organizován jednorázově zpravidla v letním semestru. Informace jsou vždy před začátkem semestru na http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/.

3 Výuka anglického jazyka NJAZ070, NJAZ072, NJAZ074, NJAZ090 v rozsahu 0/2 v každém semestru je určena pro středně pokročilé a pokročilé. Začátečníci a mírně pokročilí si místo ní zapíší předměty NJAZ071, NJAZ073, NJAZ075, NJAZ089 s rozsahem výuky 0/4 v každém semestru.

2. rok studia
kódPředmětKredityZSLS
NAFY010Optika 73/2 Z+Zk
NAFY012Praktická fyzika III — optika 40/3 KZ
NMAF073Aplikovaná matematika III 73/3 Z+Zk
NAFY016Úvod do teoretické fyziky I 62/2 Z+Zk
NTVY016Tělesná výchova III110/2 Z
NAFY011Atomová a jaderná fyzika 63/1 Z+Zk
NAFY013Praktická fyzika IV — atomová a jaderná fyzika 40/3 KZ
NMAF074Aplikovaná matematika IV 73/3 Z+Zk
NTVY017Tělesná výchova IV110/2 Z
NJAZ091Anglický jazyk210/0 Zk
NAFY018Chemie pro fyziky3,452/1 Z+Zk
NAFY017Úvod do kvantové teorie3,4,562/2 Z+Zk
NAFY019Úvod do fyziky materiálů I352/1 Z+Zk
NAFY026Optické vlastnosti látek452/1 Z+Zk
NAFY032Fyzika živých organismů552/1 Z+Zk
NBCM035Obecná chemie552/1 Z+Zk
NAFY041Statistické metody v meteorologii662/2 Z+Zk
NAFY042Numerické metody v meteorologii662/2 Z+Zk
NAFY043Základy aplikované meteorologie663/1 Z+Zk
NJAZ074Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé III210/2 Z
NOFY047Problémy současné fyziky I 30/2 Z
NOFY059Experimentální metody fyziky I 30/2 Z
NOFY010Proseminář z optiky 30/2 Z
NJAZ090Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé IV210/2 Z
NAFY055Úvod do teoretické fyziky II 62/2 Z+Zk
NOFY062Pravděpodobnostní metody fyziky 52/1 Z+Zk
NOFY048Problémy současné fyziky II 30/2 Z
NOFY060Experimentální metody fyziky II 30/2 Z

1 Místo jednoho z předmětů NTVY014, NTVY015, NTVY016 a NTVY017 je možné si zapsat letní výcvikový kurz NTVY018 nebo zimní výcvikový kurz NTVY019. Tyto kurzy může student absolvovat kdykoli v průběhu bakalářského studia.

2 Výuka anglického jazyka NJAZ070, NJAZ072, NJAZ074, NJAZ090 v rozsahu 0/2 v každém semestru je určena pro středně pokročilé a pokročilé. Začátečníci a mírně pokročilí si místo ní zapíší předměty NJAZ071, NJAZ073, NJAZ075, NJAZ089 s rozsahem výuky 0/4 v každém semestru.

3 Doporučeno pro Fyziku materiálů.

4 Doporučeno pro Optiku a optoelektroniku.

5 Doporučeno pro Fyziku pro biomedicínu.

6 Doporučeno pro Užitou meteorologii a klimatologii.

3. rok studia
kódPředmětKredityZSLS
NSZZ031Vypracování a konzultace bakalářské práce 60/4 Z
Kurz bezpečnosti práce

Podmínkou pro samostatnou práci v laboratoři (zahájení praktik a experimentální bakalářské práce) je absolvování kurzu bezpečnosti práce, který je organizován pro všechny studenty fyziky kabinetem výuky obecné fyziky, a to jednorázově zpravidla v letním semestru. Informace jsou vždy před začátkem semestru na http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/. Platnost kurzu je dva roky.

Povinně volitelné předměty

Povinně volitelné předměty jsou vytištěny normálním písmem, doporučené volitelné předměty kurzívou. Předměty jsou uspořádány do bloků, jež odpovídají příslušným tematickým okruhům.

1. Fyzika materiálů

kódPředmětKredityZSLS
NAFY020Numerické metody řešení fyzikálních problémů 73/2 Z+Zk
NAFY021Experimentální metody fyziky materiálů I 93/3 Z+Zk
NAFY024Úvod do fyziky materiálů II 52/1 Z+Zk
NAFY025Základy elektroniky 52/1 Z+Zk
NAFY022Experimentální metody fyziky materiálů II 93/3 Z+Zk
NAFY023Úvod do technologie materiálů 53/0 Zk
NFPL035Úvod do krystalografie a strukturní analýzy 52/1 Z+Zk
NFPL174Základy mechaniky tekutin a turbulence 32/0 Zk
NFPL095Základy kryotechniky 32/0 Zk
NFPL103Anihilace pozitronů v pevných látkách 32/0 Zk
NBCM214Procesy plazmové polymerace 32/0 Zk
NBCM072Základy molekulární elektroniky 32/0 Zk
NFPL030Rtg metody studia struktury a mikrostruktury materiálů 52/1 Z+Zk
NFPL073Využití rozptylu neutronů v materiálovém výzkumu 32/0 Zk
NFPL159Moderní materiály s aplikačním potenciálem 32/0 Zk
NFPL092Radiofrekvenční spektroskopie pevných látek 32/0 Zk
NAFY070Metody fyziky povrchů pro moderní technologie 32/0 Zk
NBCM208Základy makromolekulární fyziky 43/0 Zk

2. Optika a optoelektronika

kódPředmětKredityZSLS
NAFY020Numerické metody řešení fyzikálních problémů 73/2 Z+Zk
NAFY021Experimentální metody fyziky materiálů I 93/3 Z+Zk
NAFY025Základy elektroniky 52/1 Z+Zk
NAFY027Základy moderní optiky a fotoniky 62/2 Z+Zk
NAFY028Fyzika polovodičů 52/1 Z+Zk
NAFY029Experimentální metody pro optoelektroniku 73/2 Z+Zk
NAFY030Základy optické spektroskopie 32/0 Zk
NAFY031Nové materiály a technologie 32/0 Zk
NOOE048Základy konstrukce a výroby optických prvků 20/1 Z
NOOE047Integrovaná optika 32/0 Zk
NOOE117Luminiscenční spektroskopie polovodičů 32/0 Zk
NOOE130Rentgenové lasery a rentgenová optika 32/0 Zk
NOOE107Detekce a detektory záření 32/0 Zk
NAFY078Fotovoltaika 32/0 Zk
NAFY079Principy a vlastnosti polovodičových součástek 32/0 Zk

3. Fyzika pro biomedicínu

kódPředmětKredityZSLS
NAFY020Numerické metody řešení fyzikálních problémů 73/2 Z+Zk
NAFY034Fyzikální metody a technika v biomedicíně I 94/2 Z+Zk
NBCM010Bioorganická chemie 52/1 Z+Zk
NAFY037Radiobiologie 32/0 Zk
NAFY035Fyzikální metody a technika v biomedicíně II 94/2 Z+Zk
NAFY038Experimentální cvičení z přístrojové techniky 30/2 Z
NBCM012Biochemie 43/0 Zk
NAFY040Základy fyziologie člověka 32/0 Zk
NAFY080Příprava biologických vzorků 32/0 Zk

4. Užitá meteorologie

kódPředmětKredityZSLS
NAFY044Aplikovaná fyzika mezní vrstvy 94/2 Z+Zk
NAFY045Aplikovaná klimatologie 43/0 Zk
NAFY048Základy aplikované fyziky atmosféry 43/0 Zk
NAFY047Zpracování a vizualizace dat v meteorologii I 31/1 KZ
NAFY082Zpracování a vizualizace dat v meteorologii II 31/1 KZ
NAFY046Analýza a interpretace meteorologických dat 62/2 Z+Zk
NAFY049Předpovědní a pozorovací metody 42/1 KZ
NAFY081Fyzikální pohled na proudění kapalin a plynů 32/0 Zk
NAFY083Analýza modelových výstupů 42/1 Z+Zk

Státní závěrečná zkouška

Studium je zakončeno státní závěrečnou zkouškou, která se skládá ze dvou částí:
z obhajoby bakalářské práce
z ústní části zkoušky

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

získání alespoň 180 kreditů
splnění všech povinných předmětů zvoleného oboru
splnění povinně volitelných předmětů v rozsahu alespoň 48 kreditů
odevzdání vypracované bakalářské práce ve stanoveném termínu

Bakalářská práce

Bakalářská práce se zpravidla zadává v zimním semestru třetího roku studia. Téma bakalářské práce si student volí z nabídky fyzikálních pracovišt.

Požadavky k ústní části státní závěrečné zkoušky

Zkouška má přehledový charakter. Jsou kladeny jen širší otázky a žádá se, aby posluchač prokázal pochopení základních problémů, byl schopen je ilustrovat na konkrétních situacích a osvědčil určitou míru syntézy a hlubšího pochopení. Kromě znalosti teorie jevu se tedy předpokládá i znalost základní metodiky měření příslušných veličin. Předmětem zkoušky jsou následující partie fyziky:

A. Společné požadavky

1. Mechanika hmotného bodu a soustav hmotných bodů
Základní kinematické veličiny. Newtonovy pohybové zákony. Inerciální soustavy. I. a II. impulzová věta. Harmonický oscilátor (tlumený i netlumený), vázané oscilátory, skládání kmitů. Keplerovy zákony. Statika tuhého tělesa. Kinematika a dynamika tuhého tělesa. Řešení vlnové rovnice. Lagrangeův a Hamiltonův formalismus. Základy relativistické mechaniky.

2. Mechanika kontinua
Tenzor napětí a deformace, Hookův zákon. Vlny v kontinuu. Deformace pevných látek. Pohybová rovnice ideální tekutiny, rovnice kontinuity, Bernoulliova rovnice. Viskozní tekutiny, Poisseuillův zákon. Laminární a turbulentní proudění.

3. Struktura látek
Atomová struktura látek. Typy vazeb. Skupenství látek. Pozorování atomů, molekul a kondenzovaných látek v přímém a reciprokém prostoru. Kmity atomů (fonony). Elektronová struktura atomů, spektra atomů a molekul. Metody experimentálního studia atomů, molekul a pevných látek.

4. Základy termodynamiky a statistické fyziky
Teplo, teplota, tepelná kapacita. Stavové veličiny a stavové rovnice. Ideální plyn. Termodynamické potenciály. Hlavní věty termodynamiky. Chemická rovnováha. Fázové přechody. Základní statistická rozdělení.

5. Základní elektromagnetické veličiny a jejich měření
Intenzity elektrického a magnetického pole, elektrická a magnetická indukce. Materiálové vztahy. Metody měření elektrických a magnetických veličin. Maxwellovy rovnice a jejich základní důsledky. Dielektrické a magnetické vlastnosti látek.

6. Elektrické obvody stacionární, kvazistacionární a střídavé
Ustálený a neustálený stav. Metody řešení elektrických obvodů. Kirchhoffova pravidla. Jouleův zákon.

7. Elektrické transportní jevy.
Vedení proudu v látkovém prostředí. Termoelektrické jevy, emise elektronů, fotoelektrický jev. Faradayovy zákony. Hallův jev, supravodivost.

8. Elektromagnetické vlny
Pojem rovinné a kulové vlny, šíření v neomezeném prostředí. Rovinná vlna na rozhraní, Fresnelovy vzorce. Interference a ohybové jevy. Koherence světla. Optické interferometry. Fresnelův a Fraunhofferův ohyb, optická mřížka, Braggova rovnice. Elektromagnetické vlny v látkách. Šíření světla v anizotropním prostředí, dvojlom. Polarizace. Optická aktivita. Interakce elektromagnetickéh záření s hmotou. Lasery. Vláknová optika. Detekce světla. Difrakce.

9. Optika
Geometrická a přístrojová optika. Zrcadla, čočky, zobrazovací rovnice. Optické zobrazovací přístroje. Fotometrie. Optická spektroskopie. Spektrometr. Spektra atomů a molekul. Tvar a šířka spektrální čáry.

10. Jaderná a částicová fyzika
Interakce jaderného záření s prostředím a metody jeho detekce. Spektrometrie jaderného záření. Jaderné reakce. Elementární částice. Základní charakteristiky atomového jádra. Radioaktivita.

B. Užší zaměření

Student si volí okruh otázek odpovídající jeho zaměření.

1. Fyzika materiálů

Postuláty kvantové mechaniky. Vlnová funkce. Reprezentace měřitelných veličin. Kvantování fyzikálních veličin. Časová a nečasová Schrödingerova rovnice. Relace neurčitosti. Volná částice. Částice v potenciálové jámě. Tunelový jev. Atom vodíku. Experimentální základy kvantové hypotézy.

Krystalová mřížka a její poruchy. Krystalová struktura a její popis. Plastická deformace. Difúze a tepelně aktivované procesy. Materiály ve vnějších polích. Magnetismus materiálů. Transportní vlastnosti. Nanomateriály, kompozity, keramické materiály, polymery. Technologie materiálů. Růst krystalů.

Metody studia struktury, mikrostruktury a složení materiálů – difrakční, mikroskopické, spektroskopické, jaderné. Studium mechanických, elektrických, tepelných a optických vlastností. Metody získávání a měření nízkých teplot. Supravodivost.

Základy obecné a anorganické chemie – obecné vztahy mezi prvky. Metody analytické chemie. Metody studia chemické kinetiky.

2. Optika a optoelektronika

Postuláty kvantové mechaniky. Vlnová funkce. Reprezentace měřitelných veličin. Kvantování fyzikálních veličin. Časová a nečasová Schrödingerova rovnice. Relace neurčitosti. Volná částice. Částice v potenciálové jámě. Tunelový jev. Atom vodíku. Experimentální základy kvantové hypotézy.

Lasery, stimulovaná emise, optické rezonátory. Typy laserů, aplikace laserů. Statistické a koherenční vlastnosti optických polí. Nelineární optika, nelineární jevy druhého a třetího řádu a jejich využití. Fourierovská optika, prostorová filtrace obrazu, holografie. Optické komunikace, typy optických vláken a optických vlnovodů, elektrooptické a akustooptické modulátory.

Pásová struktura polovodičů, elektrony, díry. Interakce světla s látkou, optické konstanty, dispersní relace. Experimentální metody pro měření optických konstant, spektroskopické metody absorpční, emisní, rozptylové. Absorpce a emise světla v polovodičích, luminiscence, mechanismy zářivé a nezářivé rekombinace. Principy optoelektronických prvků, přechod P-N, Schottkyho kontakt, struktura MIS. Polovodičové zdroje a detektory světla. Fotovoltaický jev, princip činnosti solárních článků, konstrukce článků.

3. Fyzika pro biomedicínu

Experimentální základy kvantové hypotézy. Postuláty a formalismus kvantové mechaniky. Jednoduché aplikace (volná částice, částice v potenciálové jámě, atom vodíku).

Typy vazeb v molekulách a kondenzovaných systémech. Chemické reakce, kinetika. Biologicky významné molekuly – struktura a vlastnosti.

Druhy a zdroje jaderného záření. Účinky ionizujícího a neionizujícího záření na živý organismus. Ochrana zdraví při práci se zářením.

Proces vidění, optometrie. Akustika slyšení, audiometrie, hlas. Biologické signály a jejich snímání. Spektroskopické a rozptylové metody v biomedicíně (optická absorpční a emisní spektroskopie, elastický rozptyl světla, magnetické rezonance). Zobrazovací planární a tomografické techniky využívající elektromagnetické záření gamma, rtg, optické, mikrovlnné a radiofrekvenční, pozitronovou anihilaci, ultrazvuk. Angiografické metody. Radioterapie. Lasery – princip a využití, laseroterapie, fotodynamická terapie. Elektro- a magnetoterapie, hypertermie. Využití ultrazvuku v terapii. Základy kryotechniky, kryosondy.

4. Užitá meteorologie

Termodynamika suchého, vlhkého a nasyceného vzduchu. Základní zákony a pojmy statiky a dynamiky atmosféry, pohybové rovnice, základy energetiky atmosféry.

Horizontální a vertikální rozdělení meteorologických prvků. Vzduchové hmoty, atmosférické fronty a tlakové útvary. Konstrukce a analýza přízemních a výškových map, metody předpovědi polí meteorologických prvků.

Klimatický systém, radiační a tepelná bilance, denní a roční chody jednotlivých prvků, klima města. Cirkulace atmosféry. Přirozené a antropogenní změny klimatu, klimatické modely.

Pojem mezní vrstvy atmosféry a její struktura, procesy v mezní vrstvě, pojem dynamické podobnosti a její charakteristiky. Základní pojmy problematiky kvality ovzduší, transport a rozptyl znečišťujících látek. Antropogenní a biogenní emise znečišťujících látek.

Vývoj oblaků a srážek, teorie základních jevů atmosférické optiky, akustiky a elektřiny.

Pořizování meteorologických dat, meteorologické přístroje. Radarové a družicové metody meteorologických pozorování. Metody statistické analýzy klimatických prvků a polí.

Souřadné systémy používané v meteorologických modelech. Způsoby prostorové aproximace rovnic. Synoptická interpretace výstupů modelů.

© 2013–2016 Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikální fakulta. Design noBrother.
Za obsah odpovídá Studijní oddělení.