Aplikovaná fyzika

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

kód Předmět Kredity ZS LS
NAFY001 Mechanika a kontinuum   8 4/2 Z+Zk
NAFY003 Úvod do praktické fyziky   2 0/1 Z
NAFY004 Praktická fyzika I - mechanika a kontinuum   4 0/3 KZ
NMAF071 Aplikovaná matematika I   7 3/3 Z+Zk
NAFY008 Práce s počítačem a programování   5 2/2 KZ
NTVY014 Tělesná výchova I 1 1 0/2 Z
NAFY002 Elektřina a magnetismus   8 4/2 Z+Zk
NAFY005 Praktická fyzika II — elektřina a magnetismus   4 0/3 KZ
NMAF072 Aplikovaná matematika II   7 3/3 Z+Zk
NAFY009 Termodynamika a statistická fyzika   6 3/2 Z+Zk
NTVY015 Tělesná výchova II 1 1 0/2 Z
  Kurz bezpečnosti práce I 2 0    
NJAZ070 Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé I 3 1 0/2 Z
NOFY002 Proseminář z matematických metod fyziky   2 0/2 Z
NOFY067 Fyzika v experimentech I   2 1/0 Z
NJAZ072 Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé II 3 1 0/2 Z
NOFY068 Fyzika v experimentech II   2 1/0 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 nahttp://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

kód Předmět Kredity ZS LS
NAFY010 Optika   7 3/2 Z+Zk
NAFY012 Praktická fyzika III — optika   4 0/3 KZ
NMAF073 Aplikovaná matematika III   7 3/3 Z+Zk
NAFY016 Úvod do teoretické fyziky I   6 2/2 Z+Zk
NTVY016 Tělesná výchova III 1 1 0/2 Z
NAFY011 Atomová a jaderná fyzika   6 3/1 Z+Zk
NAFY013 Praktická fyzika IV — atomová a jaderná fyzika   4 0/3 KZ
NMAF074 Aplikovaná matematika IV   7 3/3 Z+Zk
NTVY017 Tělesná výchova IV 1 1 0/2 Z
NJAZ091 Anglický jazyk 2 1 0/0 Zk
NAFY018 Chemie pro fyziky 3,4 5 2/1 Z+Zk
NAFY017 Úvod do kvantové teorie 3,4,5 6 2/2 Z+Zk
NAFY019 Úvod do fyziky materiálů I 3 5 2/1 Z+Zk
NAFY026 Optické vlastnosti látek 4 5 2/1 Z+Zk
NAFY032 Fyzika živých organismů 5 5 2/1 Z+Zk
NBCM035 Obecná chemie 5 5 2/1 Z+Zk
NAFY041 Statistické metody v meteorologii 6 6 2/2 Z+Zk
NAFY042 Numerické metody v meteorologii 6 6 2/2 Z+Zk
NAFY043 Základy aplikované meteorologie 6 6 3/1 Z+Zk
NJAZ074 Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé III 2 1 0/2 Z
NOFY047 Problémy současné fyziky I   3 0/2 Z
NOFY059 Experimentální metody fyziky I   3 0/2 Z
NOFY010 Proseminář z optiky   3 0/2 Z
NJAZ090 Anglický jazyk pro středně pokročilé a pokročilé IV 2 1 0/2 Z
NAFY055 Úvod do teoretické fyziky II   6 2/2 Z+Zk
NOFY062 Pravděpodobnostní metody fyziky   5 2/1 Z+Zk
NOFY048 Problémy současné fyziky II   3 0/2 Z
NOFY060 Experimentální metody fyziky II   3 0/2 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

kód Předmět Kredity ZS LS
NSZZ031 Vypracování a konzultace bakalářské práce   6 0/4 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

kód Předmět Kredity ZS LS
NAFY020 Numerické metody řešení fyzikálních problémů   7 3/2 Z+Zk
NAFY021 Experimentální metody fyziky materiálů I   9 3/3 Z+Zk
NAFY024 Úvod do fyziky materiálů II   5 2/1 Z+Zk
NAFY025 Základy elektroniky   5 2/1 Z+Zk
NAFY022 Experimentální metody fyziky materiálů II   9 3/3 Z+Zk
NAFY023 Úvod do technologie materiálů   5 3/0 Zk
NFPL035 Úvod do krystalografie a strukturní analýzy   5 2/1 Z+Zk
NFPL174 Základy mechaniky tekutin a turbulence   3 2/0 Zk
NFPL095 Základy kryotechniky   3 2/0 Zk
NFPL103 Anihilace pozitronů v pevných látkách   3 2/0 Zk
NBCM214 Procesy plazmové polymerace   3 2/0 Zk
NBCM072 Základy molekulární elektroniky   3 2/0 Zk
NFPL030 Rtg metody studia struktury a mikrostruktury materiálů   5 2/1 Z+Zk
NFPL073 Využití rozptylu neutronů v materiálovém výzkumu   3 2/0 Zk
NFPL159 Moderní materiály s aplikačním potenciálem   3 2/0 Zk
NFPL092 Radiofrekvenční spektroskopie pevných látek   3 2/0 Zk
NAFY070 Metody fyziky povrchů pro moderní technologie   3 2/0 Zk
NBCM208 Základy makromolekulární fyziky   4 3/0 Zk

2. Optika a optoelektronika

kód Předmět Kredity ZS LS
NAFY020 Numerické metody řešení fyzikálních problémů   7 3/2 Z+Zk
NAFY021 Experimentální metody fyziky materiálů I   9 3/3 Z+Zk
NAFY025 Základy elektroniky   5 2/1 Z+Zk
NAFY027 Základy moderní optiky a fotoniky   6 2/2 Z+Zk
NAFY028 Fyzika polovodičů   5 2/1 Z+Zk
NAFY029 Experimentální metody pro optoelektroniku   7 3/2 Z+Zk
NAFY030 Základy optické spektroskopie   3 2/0 Zk
NAFY031 Nové materiály a technologie   3 2/0 Zk
NOOE048 Základy konstrukce a výroby optických prvků   2 0/1 Z
NOOE047 Integrovaná optika   3 2/0 Zk
NOOE117 Luminiscenční spektroskopie polovodičů   3 2/0 Zk
NOOE130 Rentgenové lasery a rentgenová optika   3 2/0 Zk
NOOE107 Detekce a detektory záření   3 2/0 Zk
NAFY078 Fotovoltaika   3 2/0 Zk
NAFY079 Principy a vlastnosti polovodičových součástek   3 2/0 Zk

3. Fyzika pro biomedicínu

kód Předmět Kredity ZS LS
NAFY020 Numerické metody řešení fyzikálních problémů   7 3/2 Z+Zk
NAFY034 Fyzikální metody a technika v biomedicíně I   9 4/2 Z+Zk
NBCM010 Bioorganická chemie   5 2/1 Z+Zk
NAFY037 Radiobiologie   3 2/0 Zk
NAFY035 Fyzikální metody a technika v biomedicíně II   9 4/2 Z+Zk
NAFY038 Experimentální cvičení z přístrojové techniky   3 0/2 Z
NBCM012 Biochemie   4 3/0 Zk
NAFY040 Základy fyziologie člověka   3 2/0 Zk
NAFY080 Příprava biologických vzorků   3 2/0 Zk

4. Užitá meteorologie

kód Předmět Kredity ZS LS
NAFY044 Aplikovaná fyzika mezní vrstvy   9 4/2 Z+Zk
NAFY045 Aplikovaná klimatologie   4 3/0 Zk
NAFY048 Základy aplikované fyziky atmosféry   4 3/0 Zk
NAFY047 Zpracování a vizualizace dat v meteorologii I   3 1/1 KZ
NAFY082 Zpracování a vizualizace dat v meteorologii II   3 1/1 KZ
NAFY046 Analýza a interpretace meteorologických dat   6 2/2 Z+Zk
NAFY049 Předpovědní a pozorovací metody   4 2/1 KZ
NAFY081 Fyzikální pohled na proudění kapalin a plynů   3 2/0 Zk
NAFY083 Analýza modelových výstupů   4 2/1 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.