Материал: Краткий курс физики. Часть 2. Электромагнетизм, колебания и волны, оптика, квантовая физика, физика ядра. Москаленко А.Г., Гаршина М.Н

УДК 3;530.1

Краткий курс физики. Ч.2: Электромагнетизм. Колебания и волны. Оптика. Квантовая физика. Физика ядра: учеб. пособие / А.Г. Москаленко, М.Н. Гаршина, И.А. Сафонов, Т.Л. Тураева, А.В. Бугаков. Воронеж: ФГБОУ ВПО “Воронежский государст- венный технический университет”, 2011, 235. с.

В учебном пособии кратко изложен теоретический материал, соответствующий учебной программе курса физики за 2011 год для заочной сокращённой формы обучения по электромагнитым явлениям, механическим и электрическим колебаниям, волновой и квантовой оптике, основам квантовой механики и физики твёрдого тела, основам физики ядра. Приведены примеры решения типовых задач с подробным описанием методов решения. По каждому из разделов предложен фонд контрольных заданий с таблицами вариантов контрольных работ.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для всех специальностей технического профиля.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в тестовом редакторе MS Word 2003 и содержится в файле Физика ч.2.doc.

Предназначено для студентов технических специаль- ностей сокращённой заочной формы обучения.

Рецензенты: кафедра общей физики ВГПУ

(зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф.

В.А.Хоник);

д-р физ.-мат. наук, проф. А.А. Щетинин

© Москаленко А.Г., Гаршина М.Н.,

Сафонов И.А., Тураева Т.Л.,

Бугаков А.В. 2011

© Оформление. ФГБОУ ВПО

“Воронежский государственный

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие, являющееся продолжением первой части [1] краткого курса общей физики включает разделы: электромагнетизм, колебания и волны, волновая и квантовая оптика, квантовая механика, физика атома и ядра.

Теоретический материал излагается в соответствии с типовой программой по курсу общей физики. Главное внима- ние при этом обращается на физическую сущность основных понятий и законов. Наряду с теоретическими основами в пособии рассматриваются практические приёмы решения типовых задач. По каждому из разделов представлен фонд контрольных заданий с таблицами вариантов контрольных работ. В конце пособия в виде приложения даются некоторые сведения из математики, а также основные справочные данные.

Выписка из типовой программы дисциплины

Физика за 2011 год

2. Семестр)

1. Магнетизм

Магнитостатика.

Магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца. Движение зарядов в электрических и магнитных полях. Закон Био-Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции (закон полного тока).

Магнитное поле в веществе.

Магнитное поле и магнитный дипольный момент кругового тока. Намагничение магнетиков. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Классификация магнетиков.

1. Электромагнитная индукция.

Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Уравнение электромагнитной индукции. Самоиндук- ция. Индуктивность соленоида. Работа по перемещению контура с током в магнитном поле. Энергия магнитного поля.

Уравнения Максвелла.

Система уравнений Максвелла в интегральной форме и физический смысл входящих в нее уравнений.

1. Колебания и волны. Оптика.

Гармонические колебания.

Идеальный гармонический осциллятор. Уравнение идеального осциллятора и его решение. Амплитуда, частота и фаза колебания. Энергия колебаний. Примеры колебательных движений различной физической природы. Свободные затухающие колебания осциллятора с потерями. Вынужденные колебания. Сложение колебаний (биения, фигуры Лиссажу). Анализ и синтез колебаний, понятие о спектре колебаний. Связанные колебания.

Волны.

Волновое движение. Плоская гармоническая волны. Длина волны, волновое число, фазовая скорость. Уравнение волны. Одномерное волновое уравнение. Упругие волны в газах, жидкостях и твердых телах. Элементы акустики. Эффект Доплера. Поляризация волн.

Интерференция волн.

Интерференционное поле от двух точечных источников. Опыт Юнга. Интерферометр Майкельсона. Интерференция в тонких пленках. Стоячие волны.

Дифракция волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на простейших преградах. Дифракция Фраунгофера. Дифракци- онная решетка как спектральный прибор. Понятие о голографическом методе получения и восстановления изображений.

Поляризация волн.

Форма и степень поляризации монохроматических волн. Получение и анализ линейно-поляризованного света. Линейное двулучепреломление. Прохождение света через линейные фазовые пластинки. Искусственная оптическая анизотропия. Фотоупругость. Электрооптические и магнито- оптические эффекты.

Поглощение и дисперсия волн.

Нелинейные процессы в оптике.

2. Квантовая физика.

Квантовые свойства электромагнитного излучения.

Тепловое излучение и люминесценция. Спектральные характеристики теплового излучения. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана и закон смещения Вина. Абсолютно черное тело. Формула Релея-Джинса и «ультрафиолетовая катастрофа». Гипотеза квантов. Формула Планка. Квантовое объяснение законов теплового излучения. Корпускулярно-волновой дуализм света.

Планетарная модель атома.

Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Эмпирические закономерности в атомных спектрах. Формула Бальмера.

Элементы квантовой механики.

Гипотеза де Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера. Дифракция микрочастиц. Принцип неопределенности Гейзенберга. Волновая функция, ее статистический смысл и условия, которым она должна удовлетворять. Уравнение Шредингера. Квантовая частица в одномерной потенциальной яме. Одномерный потенциальный порог и барьер.

Квантово-механическое описание атомов.

Стационарное уравнение Шредингера для атома водорода. Волновые функции и квантовые числа. Правила отбора для квантовых переходов. Опыт Штерна и Герлаха. Эффект Зеемана.

Оптические квантовые генераторы.

Спонтанное и индуцированное излучение. Инверсное заселение уровней активной среды. Основные компоненты лазера. Условие усиления и генерации света. Особенности лазерного излучения. Основные типы лазеров и их применение.

3. Ядерная физика

Основы физики атомного ядра.

Состав атомного ядра. Характеристики ядра: заряд, масса, энергия связи нуклонов. Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения. Ядерные реакции. Деление ядер. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений. Понятие о дозиметрии и защите.

Элементарные частицы.

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц. Частицы и античастицы. Лептоны и адроны. Кварки. Электрослабое взаимодействие.

Физическая картина мира.

Особенности классической и неклассической физики. Методология современных научно-исследовательских программ в области физики. Основные достижения и проблемы субъядерной физики. Попытки объединения фундаментальных взаимодействий и создания «теории всего». Современные космологические представления. Достижения наблюдательной астрономии. Теоретические космологические модели. Антропный принцип. Революционные изменения в технике и технологиях как следствие научных достижений в области физики. Физическая картина мира как философская категория. Парадигма Ньютона и эволюционная парадигма.

1. Электромагнетизм

1.1. Магнитная индукция движущегося заряда.

Взаимодействие движущихся зарядов. Сила Лоренца

Движущийся заряд создает в окружающем его пространстве помимо электрического еще и магнитное поле, существование которого обусловлено релятивистскими свой-ствами пространства и времени. Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . В результате обобщения экспериментальных данных был получен закон, определяющий индукцию поля точечного заряда, движущегося с постоянной нерелятивистской скоростью

, (1.1)

где - радиус-вектор, проведенный от заряда к точке наблюдения, - магнитная постоянная.

Вектор перпендикулярен плоскости, в которой расположены векторы и , образуя тройку векторов правой ориентации (рис.1.1). Величина обратно пропор–циональна , максимальна в направлении перпендикулярном скорости заряда, и равна нулю в направлении, совпадающим с направлением движения заряда. Линии индукции магнитного поля являются замкнутыми окружностями, “нанизанными” на ось, определяемую вектором (рис.1.2).

Рис.1.1

Рис.1.2

Силу взаимодействия двух движущихся электрических зарядов можно разделить на две составляющие – электри- ческую и магнитную.

Электрическая составляющая не зависит от движения зарядов и описывается законом Кулона

, (1.2) где - вектор напряженности электрического поля, создавае- мого вторым зарядом. Магнитная составляющая, зависящая от скорости электрического заряда, имеет следующий вид

, (1.3)

где - магнитная индукция, обусловленная зарядом .

Следовательно, полная сила взаимодействия между движущимися зарядами определяется выражением

. (1.4) Обобщая эту формулу, можно считать, что на электрический заряд, движущийся в электрическом и магнитном полях, действует сила

. (1.5) Эту силу называют силой Лоренца.

Выражение для магнитной составляющей силы Лоренца может быть использовано для установления физического смысла и единицы измерения магнитной индукции. Из формулы следует, что индукция B численно равна силе, которая действует на единичный положительный заряд, движущийся перпендикулярно вектору со скоростью, равной единице:

, .

Единица измерения магнитной индукции называется Тесла (Тл).