А. Б. Климовский

Э

Ульяновск 2005

лектромагнетизм Волны. Оптика. Квантовая физика

Федеральное агентство по образованию Ульяновский государственный технический университет

А. Б. Климовский

Курс лекций по физике

Часть 2

Электромагнетизм. Волны. Оптика. Квантовая физика

Для студентов заочно-вечерней формы обучения

Издание второе, исправленное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям 551100 и 654300 «Проектирование и технология электронных средств» и специальностям 200800 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и 220500 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств»

Ульяновск 2005

УДК 53 (075) ББК 22.3я7 К49

Рецензенты: доцент кафедры общей физики УлГПУ В. П. Бондина доцент кафедры экспериментальной физики УлГУ А. П. Балашов

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Климовский А.Б.

К49 Курс лекций по физике. Часть 2. Электромагнетизм. Волны. Оптика. Квантовая физика.- 2-е изд., испр.- Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 144 с. ISBN 5-89146-670-0

Составлен в трех частях в соответствии с программой по физике для студентов заочно­вечернего факультета УлГТУ. Во второй части рассмотрены электромагнетизм, физика волновых процессов, волновая и квантовая природа излучения и элементы квантовой физики. Подготовлен на кафедре физики Ульяновского государственного технического университета. Предназначен для студентов технических вузов.

УДК 53 (075) ББК 22.3я7

© Климовский А. Б., 2001

© Климовский А. Б., 2005, с изменениями

ISBN 5-89146-670-0 © Оформление. УлГТУ, 2005

Указания для студентов

1. Курс физики состоит из трех частей. Каждая часть курса разбита на разделы, кото­рые содержат несколько тем. Каждый раздел рассчитан на целое число лекций, ка­ждая тема - на целое число часов (полулекций).

2. В начале каждой темы приведен перечень вопросов, которые рассмотрены в данной теме. Эти вопросы могут быть включены в качестве теоретических вопросов в би­леты на экзамен или зачет, которым заканчивается изучение каждой части курса.

3. Основные определяемые понятия выделены в тексте прямым полужирным шрифтом вразрядку . Текст определений выделен курсивом.

4. Основные формулы определений и полученные выражения, записанные в их окон-

* 4

чательном виде, выделены рамкой (например, R = &T ).

5. Условия, определяющие справедливость приведенных выражений, выделены по­лужирным курсивом.

6. Важные термины там, где они рассматриваются впервые, выделены прямым по­лужирным шрифтом. Прочие термины и условия, на которые следует обратить внимание, выделены курсивом.

7. В приложении приведены номера и названия КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ для студен­тов заочно-вечерней и ускоренной формы обучения, которые должны быть выпол­нены в данной части курса, и СПИСОК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ, из которого не­обходимо выполнить назначенные преподавателем работы.

8. В приложении приведен СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, к которой можно обратиться для более глубокого изучения материала, а также при подготовке к контрольным работам и выполнению лабораторных работ.

Введение

В настоящее время, строго говоря, физикой считают науку, изучающую про­стейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Изучаемые физикой явления (механические, тепловые и др.) присутствуют во всех более сложных явлениях (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются наиболее общими.

Изучение физики выполняет двойную функцию, во-первых, - это формирование правильного физического мировоззрения, и, во-вторых, - создание фундаментальной базы теоретической подготовки, без которых невозможна успешная деятельность спе­циалиста. Первая функция - содержательно- мировоззренческая, может быть реализо­вана при знакомстве с физическими моделями объектов и процессов реального мира, с физическими теориями, в которых, пользуясь модельными представлениями, описыва­ются явления окружающего мира, и с законами физики, отражающими общее в харак­теристиках происходящих явлений. Вторая функция - познавательно­методологическая, способствующая развитию мышления, реализуется в знакомстве и освоении логики и технологии познавательного процесса на примерах лучших образ­цов научной мысли, созданных в процессе кропотливой многовековой работы огромно­го числа физиков-исследователей и обобщенных гениальными умами человечества.

Как и в первой части курса, мы во второй части будем начинать с простых моде­лей, с каждой темой включая в рассмотрение новые свойства явлений, что будет при­водить сначала к постепенному, а затем к принципиальному усложнению используе­мых моделей и изучаемых теорий. Где это возможно, мы будем следовать историче­скому изменению физической картины мира, проходя путь, по которому шла физика в своем развитии.

Лекционный курс построен в соответствии с программой курса физики, читаемо­го в трех семестрах, что отражено в структуре курса лекций, который состоит из трех частей. В первую часть включены два больших раздела - физические основы механи­ки и электричество. Во второй части рассмотрены три раздела - электромагнетизм, физика волновых процессов и квантовая физика. В третьей части - оставшиеся раз­делы курса - статистическая физика и термодинамика, элементы физики твердо­го тела и физика атомного ядра и элементарных частиц. Каждый раздел состоит из нескольких тем, каждая тема снабжена перечнем вопросов, которые в ней рассмотрены и могут быть включены в билеты экзамена или зачета.

Выполнение лабораторных работ позволит дополнить теоретический материал знакомством на практике с основными физическими явлениями и понятиями соответ­ствующих разделов, а также познакомиться с техникой физического эксперимента.

Решение задач в контрольных работах даст возможность применить полученные знания в простейших модельных ситуациях, шире и глубже усвоить изучаемый материал.

Электромагнетизм

В предыдущей части курса физики мы начали рассмотрение электрических явле­ний. Мы рассмотрели электростатическое взаимодействие неподвижных зарядов и нау­чились описывать движущиеся заряды - ввели основные понятия для описания элек­трического тока и познакомились с основными законами. При этом о взаимодействии между движущимися зарядами мы пока не говорили, поскольку это взаимодействие не сводится к электростатическому. Для его описания необходимы другие законы - зако­ны магнетизма, которыми мы и займемся в данном разделе.

Сегодня нам известно, что между электричеством и магнетизмом существует тес­ная связь, более того, знаем, что это проявления одного электромагнитного взаимодей­ствия, однако впервые эту связь обнаружили лишь в XIX веке, во второй половине ко­торого установили единство электрического и магнитного взаимодействий. История же магнетизма уходит в глубокую древность к античным цивилизациям Малой Азии, на территории которой, в Магнезии, впервые нашли горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. Такие образцы, по названию местности, стали называть магнитами.

Изучение магнитных явлений мы начнем с самого простого - с магнитного поля в вакууме (в отсутствии магнитных сред). При этом сначала рассмотрим стационарные (не изменяющиеся во времени) поля. Затем перейдем к изучению влияния магнитных сред на магнитные поля - магнитному полю в веществе. Далее рассмотрим систему основных уравнений электромагнетизма - уравнения Максвелла. И закончим тему электромагнитными колебаниями.

Тема: Магнитное поле в вакууме

Вопросы:

1. Магнитное поле и его характеристики. Источники магнитного поля.

2. Принцип суперпозиций магнитных полей. Вектор индукции магнитного поля. Способы определения индукции магнитного поля в вакууме. Закон Ампера.

3. Вращение контура с током в однородном магнитном поле. Магнитный момент контура с током.

4. Закон Био-Савара и его применение для расчета магнитных полей.

5. Магнитное поле кругового контура с током.

6. Магнитное поле прямолинейного проводника.

7. Магнитное поле соленоида.

8. Взаимодействие прямолинейных проводников с током.

9. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца.

10. Явление Холла.

11. Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока.

12. Магнитный поток. Теорема Гаусса.

13. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для ЭДС магнитной индукции. Правило Ленца.

14. ЭДС индукции при вращении контура с током в магнитном поле.

Электрический генератор.

15. Явление самоиндукции и взаимоиндукции. Понятие об индуктивности.

16. Энергия магнитного поля.

17. Изменение силы тока в цепи при подключении и отключении источника.

В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед (H. 0rsted, 1777-1851) показывал студентам тепловое действие тока. При включении тока отклонилась стрелка случайно оказавше­гося рядом компаса. Описание этого опыта вызвало лавину новых открытий. Так роди­лась новая область физики - электродинамика.

Частью электродинамики (электромагнетизма) является магнитостатика, изучающая не изменяющиеся во времени (стационарные, или постоянные) магнитные поля, с которых мы начнем наше рассмотрение.

Магнитное поле - силовое поле (подобное гравитационному или электриче­скому), окружающее токи и постоянные магниты. Магнитное поле не действует на неподвижные заряды, оно может создаваться только движущимися зарядами и дейст­вует только на движущиеся заряды.

Магнитные силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся за­ряды, могут:

• искривлять их траекторию (если заряд движется в свободном пространстве);

• отклонять проводник (если заряды движутся в проводнике);

• поворачивать контур (если проводник образует замкнутый контур).

Все объекты, на которые действует магнитное поле:

• движущиеся заряды,

• проводники с током,

• контуры с током,

• постоянные магниты,

а также

• изменяющееся электрическое поле, являются источниками магнитного поля.

Последний источник мы упоминаем пока лишь для полноты картины, говорить о нем будем в самом конце темы, когда будет идти речь об электромагнитной индукции. Пока рассмотрим только первые четыре источника.

Для описания магнитного поля нужно ввести его характеристики. Естественно это сделать так же, как, например, в электричестве, по силовому действию поля. Сделать это можно несколькими способами. В качестве объекта, на который действует сила со стороны магнитного поля, можно выбрать любой из объектов или движущийся заряд, или проводник с током, или контур с током, или магнит. Принципиальной разницы нет. Обычно используют какой-нибудь из первых двух способов. Мы рассмотрим оба и по­кажем их равнозначность.

Воспользуемся сначала первым способом - рассмотрим движущийся заряд. На заряд, движущийся в магнитном поле, будет действовать сила, которую будем на­зывать магнитной силой F_M . Экспериментально установлено:

• вектор силы перпендикулярен вектору скорости ( ^V );

• если изменить направление скорости заряда, то сила изменит свое направле­ние, но при этом останется перпендикулярной некоторому направлению, сов­падающему с направлением магнитной стрелки, помещенной в точку, где на­ходится заряд;

• если изменить величину заряда, то сила по величине пропорциональна вели­чине заряда q (F_M ~ q);

если изменить модуль скорости, то величина силы пропорциональна скорости его движения V (F_M ~ V ).

При изменении условий опыта, измеряя величину силы, действующей на заряд q,

F

можно убедиться, что отношение ——^M— не зависит от величин q, V и угла а меж-