Материал: Методические указания к решению задач и выполнению контрольной работы № 3 по физике для студентов всех технических направлений. Москаленко А.Г., Гаршина М.Н

8. Мыльная пленка, расположенная вертикально, образует клин вследствие стекания жидкости. При наблюдении интерференционных полос в отраженном свете (^^‑м оказалось, что расстояние между полосами l=20 мм. Угол клина  =11”. Найти показатель преломления мыльной воды. Свет падает нормально.

9. На установку для получения колец Ньютона падает нормально монохроматический свет ( = 5^.10^-7 м). Определить толщину воздушного слоя там, где наблюдается пятое кольцо.

10. Плосковыпуклая стеклянная линза с радиусом кривизны R=12,5 м прижата к стеклянной пластине. Диаметры десятого и пятнадцатого темных колец Ньютона в отраженном свете равны d₁=1мм, d₂=1,5мм. Определить длину волны света.

11. На щель шириной 2^.10^-6 м падает нормально парал- лельный пучок монохроматического света с длиной волны =5^.10^-7м. Найти ширину изображений щели на экране, удаленном от щели на l=1 м. Шириной изображения считать расстояние между первыми дифракционными минимумами, расположенными по обе стороны от главного максимума освещенности.

12. На узкую щель падает нормально монохромати- ческий свет. Угол отклонения пучков света, соответствующих второй светлой дифракционной полосе, равен 1Скольким длинам волн падающего света равна ширина щели?

13. Чему равна постоянная дифракционной решетки, если для того, чтобы увидеть красную линию ( =7^.10^-7 м) в спектре третьего порядка, зрительную трубу пришлось установить под углом ’ к оси коллиматора? Какое число штрихов нанесено на 1 см длины этой решетки? Свет падает на решетку нормально.

14. Определить число штрихов на 1 см дифракционной решетки, если при нормальном падении света с длиной волны  = 6^.10^-7 м решетка дает первый максимум на расстоянии l = 3,3 см от центрального. Расстояние от решетки до экрана L=1,1 м.

15. Какое наименьшее число штрихов должна содер- жать решетка, чтобы в спектре первого порядка можно было разделить две желтые линии натрия с длинами волн _ =5,89^.10^-7м и _ = 5,896^.10^-7м? Какова длина такой решетки, если постоянная решетки d = 10 мкм?

16. Свет с длиной волны =5,35^.10^-7 м падает нормально на дифракционную решетку с периодом d = 3,5 мкм, содержащую N=1000 штрихов. Найти угловую ширину дифракционного максимума второго порядка.

17. На каком расстоянии друг от друга будут находиться на экране две линии ртутной дуги (_ = 577 нм и _=579 нм) в спектре первого порядка, полученные при помощи дифракци- онной решетки с периодом 2^.10^-6м? Фокусное расстояние линзы, проектирующей спектр на экран, равно 0,6 м.

18. На дифракционную решетку с периодом d=2 мкм падает нормально свет с длиной волны  =700нм. За решеткой помещена собирающая линза с фокусным расстоянием F=0,5м. В фокальной плоскости линзы расположен экран. Определить линейную дисперсию такой системы для максимума третьего порядка.

19. Между точечным источником света и экраном поместили диафрагму с круглым отверстием, радиус которого r можно менять. Расстояния от диафрагмы до источника и экрана равны a=1 м и b=1,25 м. Определить длину волны света, если максимум интенсивности в центре дифракционной картины на экране наблюдается при r₁ = 1 мм, а следующий максимум при r₂ = 1,29 м.

20. На дифракционную решётку с периодом d=10 мкм под углом α=30⁰ падает монохроматический свет с длиной волны λ=600 нм. Определить угол дифракции, соответствую- щий главному максимуму.

21. Угол между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора равен 30. Во сколько раз уменьшится интенсивность света, выходящего из анализатора, если угол увеличить до 60

22. Естественный свет проходит через поляризатор и анализатор. Поляризатор поглощает и отражает 12 % падаю- щего на него света, анализатор –10%. Оказалось, что интенсив- ность луча, вышедшего из анализатора, в 10 раз меньше интенсивности естественного света. Найти угол между плоско- стями пропускания поляризатора и анализатора.

23. Пучок естественного света падает на систему из 4 поляризаторов, плоскость пропускания каждого из которых повернута на угол относительно плоскости пропуска- ния предыдущего поляризатора. Какая часть светового потока проходит через эту систему?

24. Два николя расположены так, что угол между их плоскостями пропускания равен . Потери на поглощение составляют 10 % в каждом николе. Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность света при прохождении через оба николя?

25. На пути частично поляризованного света, степень поляризации Р которого равна 0,6 поставили анализатор так, что интенсивность света, прошедшего через него, стала максимальной. Во сколько раз уменьшится интенсивность света, если плоскость пропускания анализатора повернуть на угол ?

26. На николь падает пучок частично поляризованного света. При некотором положении николя интенсивность света, прошедшего через него, стала минимальной. Когда плоскость пропускания николя повернули на угол  , интенсивность света возросла в k = 1,5 раза. Определить степень поляризации Р света.

27. Найти показатель преломления n стекла, если при отражении от него света отраженный луч будет полностью поляризован при угле преломления =30.

28. Луч света проходит через жидкость, налитую в стеклянный (n=1,5) сосуд, и отражается от дна. Отраженный луч полностью поляризован при падении его на дно сосуда под углом i_B = 4237. Найти показатель преломления n жидкости. Под каким углом должен падать на дно сосуда луч света, идущий в этой жидкости, чтобы наступило полное внутреннее отражение?

29. Найти угол  между главными плоскостями поляризатора и анализатора, если интенсивность естествен- ного света, проходящего через поляризатор и анализатор, уменьшается в 4 раза.

30. Естественный свет проходит через поляризатор и анализатор, поставленные так, что угол между их главными плоскостями равен . Как поляризатор, так и анализатор поглощают и отражают 8% падающего на них света. Оказа- лось, что интенсивность луча, вышедшего из анализатора, равна 9% интенсивности естественного света, падающего на поляризатор. Найти угол .

31. При переходе от температуры T₁ к температуре Т₂ площадь под кривой r_Т() увеличилась в n раз. Как измени- лась при этом длина волны, на которую приходится максимум испускательной способности r_λ?

32. В излучении абсолютно черного тела максимум энергии падает на длину волны 680 нм. Сколько энергии излучает 1 см² этого тела за 1 с и какова потеря его массы за 1 с вследствие излучения?

33. Абсолютно черное тело имеет температуру Т₁ = 2900 К. В результате остывания тела длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, изменилась на 9 мкм. До какой температуры Т₂ охладилось тело?

34. Принимая что Солнце излучает как абсолютно черное тело и температура его поверхности равна 5800 К, вычислить:

а) энергию, излучаемую с 1 м² поверхности Солнца за время t = 1 мин; б) массу теряемую Солнцем вследствие луче- испускания за время t = 1 с.

35. Волосок лампы накаливания, рассчитанной на напряжение 2В, имеет длину 10см и диаметр 0.03мм. Полагая, что волосок излучает как абсолютно черное тело, определите температуру нити и длину волны, на которую приходится максимум энергии в спектре излучения. Вследствие тепло- проводности лампа рассеивает 8 % потребляемой мощности, удельное сопротивление материала волоска 5.5^.10^-8 Ом^.м.

36. Диаметр вольфрамовой спирали в электрической лампочке d=0.3 мм, длина спирали 5 см. При включении лампочки в сеть напряжением U = 127 В через лампочку течет ток 0.31 А. Найти температуру спирали. Считать, что при установлении равновесия все выделяющееся в нити тепло теряется в результате излучения. Отношение энергетических светимостей вольфрама и абсолютно черного тела для данной температуры к = 0.31.

37. На сколько градусов понизилась бы температура земного шара за столетие, если бы на Землю не поступала солнечная энергия? Радиус Земли принять равным 6.4^.10⁶ м, удельную теплоемкость принять равной 200 Дж/(кг^.К), плотность 5500 кг/м³, среднюю температуру 300 К. Коэффициент поглощения 0.8. За какое время температура понизилась бы на 27 К?

38. Какую мощность надо подводить к зачерненному металлическому шарику радиусом 2 см, чтобы поддерживать его температуру на 27 К выше температуры окружающей среды? Температура окружающей среды Т = 293 К. Считать, что тепло теряется только вследствие излучения.

39. В электрической лампе вольфрамовый волосок диаметром d = 0.05 мм накаливается при работе лампы до Т₁ = 2700 К. Через сколько времени после выключения тока температура волоска упадет до Т₂ = 600К? При расчете принять, что волосок излучает, как серое тело, с коэффици- ентом поглощения 0.3. Пренебречь всеми другими причинами потери теплоты.



41. Какую задерживающую разность потенциалов нужно приложить к фотоэлементу, чтобы прекратить эмиссию электронов, испускаемых под действием лучей с длиной волны  = 260 нм с поверхности алюминия, если работа выхода А = 3.74 эВ?

42. Красной границе фотоэффекта для никеля соответ- ствует длина волны, равная 248 нм. Найти длину световой волны, при которой величина задерживающего напряжения равна 1.2 В.

43. Фотоны с энергией Е = 4.9 эВ вырывают электроны из металла. Найти максимальный импульс, передаваемый поверхности металла при вылете каждого электрона.

44. Уединенный железный шарик облучают электро- магнитным излучением с длиной волны 200 нм. До какого максимального потенциала зарядится шарик?

45. При поочередном освещении поверхности металла светом с длинами волн 0.35 и 0.54 мкм обнаружено, что соответствующие максимальные скорости фотоэлектронов отличаются друг от друга в n = 2 раза. Найти работу выхода с поверхности этого металла.

46. Монохроматическое излучение с длиной волны, равной 500 нм, падает нормально на плоскую зеркальную поверхность и давит на нее с силой 10 нН. Определите число фотонов, ежесекундно падающих на эту поверхность.

47. Точечный источник света потребляет 100 Вт и равно- мерно испускает свет во все стороны. Длина волны испуска- емого при этом света 589 нм. КПД источника 0.1 %. Вычислить число фотонов, выбрасываемых источником за 1 с.

48. Импульс лазерного излучения длительностью 0.13 с и энергией Е = 10 Дж сфокусирован в пятно диаметром d = 10 мкм на поверхность с коэффициентом отражения ρ = 0.5. Найти среднее давление такого пучка света.

49. Параллельный пучок монохроматических лучей с длиной волны 0.5 мкм падает нормально на зачерненную поверхность и производит давление 10^-5 Па. Определить концентрацию электронов в потоке и его интенсивность, т.е. число частиц, падающих на единичную поверхность в единицу времени.

50. Пучок энергии, излучаемый электрической лампой, равен 600 Вт. На расстоянии R=1 м от лампы перпендику- лярно к падающим лучам расположено круглое плоское зеркало диаметром d = 2 см. Принимая, что зеркало полностью отражает падающий на него свет, определить силу F светового давления на зеркальце.

51. Изменение длины волны рентгеновских лучей при комптоновском рассеянии равно 2.4 пм. Вычислить угол рассеяния и величину энергии, переданной при этом электрону отдачи, если длина волны рентгеновских лучей до взаимо- действия 10 пм.

52. Какая доля энергии фотона приходится при эффекте Комптона на электрон отдачи, если рассеяние фотона проиcходит на угол 180°? Энергия фотона до рассеяния равна 0.255 МэВ.

53. Узкий пучок монохроматического рентгеновского излучения падает на рассеивающее вещество. При этом длины волн излучения, рассеянного под углами, равными 60° и 120°, отличаются друг от друга в n = 2 раза. Считая, что рассеяние происходит на свободных электронах, найти длину волны падающего излучения.

54. Фотон с длиной волны, равной 6.0 пм, рассеялся под прямым углом на покоившемся свободно электроне. Найти частоту рассеянного фотона и кинетическую энергию электро- на отдачи.

55. Фотон с энергией 0.46 МэВ рассеялся под углом 120° на покоившемся свободном электроне. Определить относи- тельное изменение частоты фотона.

56. Определить угол под которым был рассеян гамма-квант с энергией Е = 1.02 МэВ при эффекте Комптона, если кинетическая энергия электрона отдачи Т = 0.51 МэВ.

57. Найти энергию налетающего фотона, если известно, что при рассеянии под углом 90° на покоившемся свободном электроне последний приобрел энергию 300 кэВ.

58. Фотон с энергией, превышающей в n = 2 раза энергию покоя электрона, испытал лобовое столкновение с покоив- шемся свободным электроном. Найти радиус кривизны траектории электрона отдачи в магнитном поле В=0.12 Тл. Предполагается, что электрон отдачи движется перпендику- лярно к направлению поля.

59. Фотон с энергией Е=0.15 МэВ рассеялся на покоив- шемся свободном электроне, в результате чего его длина волны изменилась на 3.0 пм. Найти угол, под которым вылетел комптоновский электрон.

60. Угол рассеяния фотона  90°. Угол отдачи электрона  = 30°. Определить энергию падающего фотона.

61. Какую энергию необходимо сообщить электрону, чтобы его дебройлевская длина волны уменьшилась от 100 до 50 пм?

62. При увеличении энергии электрона на Е = 200 эВ его дебройлевская длина волны изменилась в n = 2 раза. Найти первоначальную длину волны электрона.

63. Найти кинетическую энергию, при которой дебройлевская длина волны электрона равна его комптоновой длине волны?

64. Какую дополнительную энергию необходимо сооб- щить электрону с импульсом 15.0 КэВ/с (с - скорость света), чтобы его длина волны стала равной 50 пм?

65. Скорость так называемых тепловых нейтронов, средняя кинетическая энергия которых близка к средней энергии атомов газа при комнатной температуре, равна 2.5 км/с. Найти длину волны де Бройля для таких нейтронов.

66. В телевизионной трубке проекционного типа электроны разгоняются до большой скорости V. Определить длину волны катодных лучей без учета и с учетом зависимости массы от скорости, если V = 10⁶ м/с.

67. Найти длину волны де Бройля для электрона, движущегося со скоростью равной 0.8 скорости света. Учесть зависимость массы от скорости.

68. Пучок электронов падает нормально на поверхность монокристалла никеля. В направлении, составляющем угол 55° с нормалью к поверхности, наблюдается максимум отражения четвертого порядка при скорости электронов V = 8^.10⁶ м/с. Пренебрегая преломлением электронных волн в кристалле, вычислите межплоскостное расстояние, соответствующее данному отражению.

69. Пучок летящих параллельно друг другу электронов, имеющих скорость V=1.0^.10⁶ м/с, проходит через щель шири- ной b=0.1 мм. Найти ширину х центрального дифракцион- ного максимума, наблюдаемого на экране, отстоящем от щели на расстояние I = 10.0 см.

70. Найти кинетическую энергию электронов, падаю- щих нормально на диафрагму с двумя узкими щелями, если на экране, отстоящем от диафрагмы на l = 75 см, расстояние между соседними максимумами х=7.5 мкм. Расстояние между щелями d = 25 мкм.

71. Электрон с кинетической энергией Т = 15 эВ находится в металлической пылинке диаметром d=1 мкм. Оценить относительную неточность , с которой может быть определена скорость электрона.

72. Во сколько раз дебройлевская длина волны частицы меньше неопределенности ее координаты, которая соответ-

ствует относительной неопределенности импульса в 1%?

73. Предполагая, что неопределенность координаты движущейся частицы равна дебройлевской длине волны, определить относительную неточность р/р импульса этой частицы.

74. Оценить наименьшие погрешности, с которыми можно определить скорость электрона и протона, локализован- ных в области размером 1 мкм.

75. Оценить неопределенность скорости электрона в атоме водорода, полагая размер атома 1 нм. Сравнить полученное значение со скоростью электрона на первой боровской орбите.

76. Приняв, что минимальная энергия Е нуклона в ядре равна 10 МэВ, оценить, исходя из соотношения неопределен- ностей, линейные размеры ядра.

77. Используя соотношение неопределенностей, оценить низший энергетический уровень электрона в атоме водорода. Принять линейные размеры атома l  0.1 нм.

78. Частица массой m находится в прямоугольной потенцииальной яме с бесконечно высокими стенками. Ширина ямы равна l. При каких значениях кинетической энергии Т относительная неопределенность Т/Т будет меньше 0.01?

79. Электрон с кинетической энергией Т = 10 эВ локализован в области размером L = 1.0 мкм. Оценить относительную неопределенность скорости электрона.

80. Чему равна предельная резкость спектральной линии с длиной волны =5000 Å, допускаемая принципом неопределенностей, если считать, что средняя продолжи- тельность возбужденного состояния атомов t = 10^-8 с?

81. Электрону в потенциальном ящике шириной L отвечает волновой вектор к = n/L (где n=1,2,3…). Используя связь энергии электрона Е с волновым вектором к, получить выражение для собственных значений энергии Е_n.

82. Электрон находится в потенциальном ящике шири- ной =5 Å. Определить наименьшую разность Е энергети- ческих уровней электрона.

83. Частица массой m находится в основном состоянии в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Максимальное значение плотности вероятности местонахождения частицы равно _m. Найти ширину ямы и энергию частицы в данном состоянии.

84. Частица в потенциальном ящике шириной  находится в возбужденном состоянии (n = 2). Определить, в каких точках интервала (0 < x < ) плотность вероятности нахождения частицы имеет максимальное и минимальное значения.

85. Электрон находится в потенциальном ящике шириной . В каких точках интервала (0<x<1) плотность вероятности нахождения электрона на первом и втором энергетических уровнях одинакова? Вычислить значение плотности вероятности для этих точек.

86. В потенциальной яме бесконечной глубины движется электрон. Во сколько раз изменится минимальное значение кинетической энергии электрона, если ширина потенциальной ямы уменьшится вдвое?