Вопросы семестра 2

	Тема	Содержание
Лекция 1 () 2ч.	Электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе. Электрическое поле в вакууме [1] §§ 77-83	Два вида зарядов. Элементарный заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электрическая постоянная. Электрическое поле. Напряженность поля. Принцип суперпозиции полей. Силовые линии поля. Поток вектора напряженности. Закон Остроградского-Гаусса. Вычисление напряженности поля различных заряженных тел. Работа сил электрического поля при перемещении зарядов. Циркуляция вектора напряженности.
Лекция 2 () 2ч.	Проводники в электрическом поле. Энергия электрического поля [1] §§ 84-83, [1] §§ 92-95	Потенциал. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом. Потенциал поля точечного заряда Проводники в электрическом поле. Электроемкость проводников. Конденсаторы. Соединение конденсаторов. Энергия системы зарядов. Энергия заряженного проводника. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.
Лекция 3 () 2ч.	Квазистационарные токи Постоянный электрический ток [1] §§ 96-101	Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Закон Ома. Сопротивление проводников. Закон соединения проводников. Зависимость сопротивления от температуры. Сверхпроводимость, перспективы использования. Источники тока. Электродвижущая сила (э.д.с.). Закон Ома для полной цепи. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Плазма, ее свойства и применение.
Лекция 4 () 2ч.	Магнитное поле в вакууме Магнитное поле постоянных токов [1] §§ 109-121	Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Закон Ампера. Магнитная индукция. Силовые линии магнитного поля. Магнитная постоянная. Магнитное поле движущихся зарядов. Закон Био-Савара-Лапласа для элементов тока. Поле прямолинейного и кругового токов. Магнитный момент кругового тока. Циркуляция вектора магнитной индукции. Магнитное поле соленоида. Магнитный поток. Работа перемещения контура в магнитном поле.
Лекция 5 () 2ч.	Магнитное поле в веществе [1] §§ 131-136	Взаимодействие магнитного поля с веществом. Понятие об элементарных токах. Элементарный ток в магнитном поле. Намагничивание вещества. Намагниченность. Магнитная восприимчивость. Магнитная проницаемость. Напряженность магнитного поля. Деление вещества на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Лекция 6-7 4ч.	Электромагнитная индукция §§122-130, §§	Явление электромагнитной индукции. Индукционный ток. Правило Ленца. Э.д.с. индукции. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля соленоида. Плотность энергии магнитного поля. Взаимная индукция. Электрические колебания.
Лек. 8-9 () 4ч.	Уравнения Максвелла Принцип относительности в электродинамике. §§ 137-139	Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме, материальные уравнения. Электромагнитные волны. Радиолокация. Неразрушающий контроль. Томография. Релятивистская природа магнетизма. Принцип относительности в электродинамике.
Лекция 1 (10) 2ч.	Гармонический и негармонический осциллятор. Основные характеристики и закономерности свободных, затухающих и вынужденных колебаний.	Колебательные процессы. Гармонические колебания. Основные характеристики колебательного движения: амплитуда, частота, период, фаза. Уравнение гармонических колебаний. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Свободные колебания. Квазиупругие силы. Математический и физический маятники. Кинетическая, потенциальная и полная энергия гармонического колебания. Гармонический осциллятор. Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс.
Лек. 2 (11) 2ч	Переменный ток	Получение переменного тока. Передача электроэнергии на расстояние.
Лек. 3 (12) 2ч	Кинематика волновых процессов, нормальные моды.	Основные характеристики и закономерности волновых процессов. Электромагнитная природа света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Способы получения когерентных источников. Оптическая длина пути и оптическая разность хода лучей.
Лек.4 (13) 2ч.	Интерференция и дифракция волн, элементы Фурье-оптики	Интерференция световых волн. Интерференция в тонких пленках. Дифракция световых волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера. Дифракция от щели. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах.
Лекция 1 (15) 2ч.	Корпускулярно-волновой дуализм Тепловое излучение	Тепловое равновесное излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Формула Релея-Джинса. "Ультрафиолетовая катастрофа". Гипотеза планка о квантовом характере излучения. Формула Планка.
Лек. 2 (16) 2ч.	Квантовая природа света	Фотоэлектрический эффект. Основные законы фотоэффекта. Корпускулярные свойства излучения. Фотоны. Энергия, импульс, масса фотона. Уравнения Эйнштейна для фотоэффекта. Эксперименты по рассеянию рентгеновских излучений веществом. Эффект Комптона.
Лек. 3 (17) 2ч	Принцип неопределенности	Принцип неопределенности. Пределы классической физики. Размер атомов.
Лек.4 (18) 2ч.	Квантовые состояния	Квантовые состояния, суперпозиции, квантовые уравнения движения, операторы физических величин. Волна де Бройля. Волновая функция и ее физический смысл.

Источники информации

1.Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 7-е изд., стер. – М: Высш. шк., 2003. – 541 с.: ил.

Электростатика и магнитостатика в вакууме и веществе.

Лекция 1

Электрическое поле в вакууме

Два вида зарядов. Элементарный заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электрическая постоянная. Электрическое поле. Напряженность поля. Принцип суперпозиции полей. Силовые линии поля. Поток вектора напряженности. Закон Остроградского-Гаусса. Вычисление напряженности поля различных заряженных тел.

Работа сил электрического поля при перемещении зарядов. Циркуляция вектора напряженности.

[1] §§ 77 – 83.

Все рассуждения и описания опытов, если не оговорено другое, сделаны в «лабораторной системе отсчета», т.е. в системе отсчета, связанной с «лабораторным столом» или «лабораторией». Таким образом, описание ведется в ИСО.

1. Электричество¹ – совокупность явлений, в которых обнаруживается существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Учение об электричестве – одно из основных разделов физики. Часто под электричеством понимают электрическую энергию, например, когда говорят об использовании электричества в народном хозяйстве; значение термина «электричество» менялось в процессе развития физики и техники².

В настоящее время более употребителен термин «электродинамика».

Электродинамика (классическая) – теория электромагнитных процессов в различных средах и в вакууме. Охватывает огромную совокупность явлений, в которых основную роль играют взаимодействие между заряженными частицами, осуществляемое посредством электромагнитного поля. Все электромагнитные явления можно описать с помощью уравнений Максвелла, которые устанавливают связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределенными в пространстве зарядами и токами³.

Вместе с учетом квантового характера движения нерелятивистских частиц, составляющих материальные тела, классическая электродинамика объясняет подавляющую часть происходящих вокруг нас явлений. Сюда относятся не только электрические и, магнитные и оптические свойства твердых тел, жидкостей и газов, но и такие макроскопические характеристики как: упругость, теплопроводность, поверхностное трение, вязкость и др.

Учение об электричестве включает три группы вопросов. К первой группе относятся основные понятия и общие принципы, управляющие электрическими и магнитными явлениями; ко второй – электрические и магнитные свойства веществ; к третьей – технические и практические применения электричества.

2. Опыт показывает, что между электрически заряженными и намагниченными телами, а также телами, по которым текут электрические токи, действуют силы, называемые электромагнитными. Современная теория исходит из представления, что взаимодействие передается с помощью особого материального посредника, называемого электромагнитным полем.

Утверждение, о передаче взаимодействие при помощи посредника и с конечной скоростью – скоростью света – называют теорией близкодействия.

Электрический заряд – одна из основных характеристик частиц и тел, определяющая их взаимодействие с внешним электромагнитным полем, а также их взаимодействием с собственным электрическим полем.

Электрические заряды обладают свойствами.

1) Существуют два вида электрических зарядов условно названных «положительный» и «отрицательный». Положительным назвали заряд, образующийся на стеклянной палочке, потертой о шерсть, шелк, бумагу, кожу и т.д.⁴

2) Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

3) В замкнутой системе электрический заряд сохраняется (закон сохранения электрического заряда), т.е. электрические заряды возникают и исчезают парами или Вселенная электрически нейтральна.

4) Электрический заряд квантован, т.е. существует наименьший положительный и наименьший отрицательный заряды их называют – элементарными зарядами. Типичный носитель отрицательного элементарного заряда – электрон, положительного – протон⁵.

5) Отрицательный элементарный заряд равен элементарному положительному, они отличаются только знаком и, поэтому говорят об элементарном заряде, который равен 1,60^.10^-19Кл (точно).

Электрические заряды взаимодействуют между собой. Сила, действующая на выбранный заряд q, описывается двумя слагаемыми.

.

(1.1)

– напряженность электрического поля, – скорость движения заряда, – индукция магнитного поля.

Первое слагаемое не зависит от скорости и его называют силой Кулона, Второе слагаемое прямо пропорционально скорости. Его называют силой Лоренца. Сила Лоренца имеет релятивистскую природу.

3. Закон Кулона – два неподвижных точечных заряда взаимодействуют с силами прямо пропорциональными произведению зарядов и обратно пропорциональных квадрату расстояния между ними:

.

(1.2)

Коэффициент пропорциональности зависит от среды между зарядами и системы единиц. В вакууме для СИ

.

(1.3)

Коэффициент 4π отражает сферическую симметрию поля точечного заряда. Име-

Рис. 1.1. Взаимодействие одноименных точечных зарядов

нованный коэффициент называют электрической постоянной или «диэлектрической проницаемостью вакуума».

Закон Кулона несет в себе два принципиальных момента.

1) Сила взаимодействия двух зарядов не зависит от наличия «третьего» заряда! Сила действия выбранного заряда на систему зарядов, равна равнодействующей сил всех пар. (Это одна из формулировок принципа суперпозиции.)

2) В знаменателе стоит вторая степень расстояния (точно). Этот замечательный факт приводит к большим последствиям и определяет красоту окружающего нас Мира!

Единицу электрического заряда в СИ определяют по силе тока: 1Кл = 1А^.1с : 1 кулон – заряд, протекающий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при неизменном токе в 1 ампер.

4. Как уже отмечалось, взаимодействие передается с помощью поля. Силовую характеристику электрического поля называют «напряженность».

Напряженность показывает, какая сила действует со стороны электрического поля на пробный заряд:

; .

(1.4)

Пробный заряд – единичный положительный точечный заряд.

Напряженность точечного заряда получается из определения (1.4) и закона Кулона (1.2):

.

(1.5)

Радиус-вектор отсчитывается от заряда , создающего поле, в точку наблюдения!

Электрическое поле иллюстрируется силовыми линиями – линиями, в каждой

точке которой, вектор напряженности направлен по касательной. Силовая линия выходит из положительного заряда и заканчивается либо в бесконечности или на отрицательном заряде. Густота силовых линий пропорциональна напряженности.

Одна из скалярных величин, характеризующая любое поле, носит название «поток».

Поток вектора напряженности показывает, чему равна нормальная составляющая вектора напряженности через единичную поверхность:

; .

(1.6)

– единичный вектор нормали к поверхности .

Рис. 1.2. Поле диполя	Рис. 1.3. Элементарная поверхность	Рис. 1.4. Морщинистая поверхность

Из определения видно, что знак потока зависит от направления вектора и от направления вектора . Для замкнутых поверхностей выбирают нормаль направленную наружу, чем и устраняют произвола выбора знака потока. Понятие «наружу» однозначно для любой морщинистой поверхности (см. рис. 1.4 .).

Поток вектора напряженности через замкнутую поверхность нашли К. Гаусс и Остроградский:

.

(1.7)

Т.е., поток через замкнутую поверхность прямо пропорционален сумме зарядов охваченной этой поверхностью.

Заряды, не охваченные поверхностью, не дают вклада в поток через нее!

Этот замечательный факт является прямым следствием закона Кулона. Однако, если закон Кулона экспериментально можно проверить лишь до расстояний в несколько метров, то следствия из выражения (1.7) – до нескольких километров. Поэтому (1.7) называют законом Остроградского-Гаусса.

5. Закон Остроградского-Гаусса позволяет легко вычислить поля для симметричных систем. Здесь приведем результаты, а выкладки проделаем на практических занятиях.

1) Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра:

(1.8)

2) Поле равномерно заряженной сферы:

(1.9)

3) Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости:

(1.10)

6. Любое заряженное тело можно разбить на точечные заряды, следовательно, выводы, сделанные для поля точечного заряда, будут носить общий характер.

Найдем работу по перемещению пробного заряда q₀ в поле произвольного точечного заряда q по произвольной траектории.

.

(1.11)

Для перемещения пробного заряда в поле точечного заряда из точки 1 в точку 2 необходимо затратить работу:

		(1.12)
	При этом само поле совершает работу:
Рис. 1.5. К вычисление работы		(1.13)

Результат (1.13) замечателен тем, что работа поля не зависит от траектории перемещения, а определяется только начальным и конечным положением пробного заряда в поле. Такие поля называют потенциальными.

Когда переходят к характеристике поля, величину называют циркуляцией вектора .

Знак циркуляции зависит от направления обхода (направления вектора ).

Для электростатического поля, как это следует из (1.13), циркуляция по замкнутому контуру равна нулю:

.

(1.14)

Результат (1.14) также служит критерием потенциальности.

Источники информации

1.Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 7-е изд., стер. – М: Высш. шк., 2003. – 541 с.: ил.

Лекция 2