УДК 530.1(075.8) ББК 22.3
Л39
Ле д е н е в А. Н. Физика. В 5 кн. Кн. 4. Колебания и волны. Оптика. —
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 256 с. — ISBN 5-9221-0464-0.
Основу настоящего курса физики составляют лекции, читаемые автором слушателям Института криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России. В этой книге излагается материал разделов курса физики «Колебания и волны» и «Оптика». Подробно рассматриваются колебательные процессы в электрических цепях: гармонические, затухающие и вынужденные электрические колебания, переменный ток. Излагаются основы методов расчета цепей переменного тока. Математический аппарат, используемый для описания волновых процессов, излагается на примере упругих волн. Затем анализируются характеристики и свойства электромагнитных волн и дипольного излучения. Разделы книги, посвященные оптике, включают четыре основные темы — интерференцию, дифракцию, поляризацию и взаимодействие света с веществом (дисперсию). Дается краткое, но достаточно строгое изложение учебного материала в виде системы физических понятий, определений, законов и теорем.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Информатика и вычислительная техника».
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра физики Московского института радиоэлектроники и автоматики; проф. А.Н. Сафронов (Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ им. М.В. Ломоносова)
|
c |
ФИЗМАТЛИТ, 2005 |
ISBN 5-9221-0464-0 |
c |
А. Н. Леденев, 2005 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
8 |
|
Г л а в а |
I. Электрические колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
9 |
§ 1. |
Гармонические колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
9 |
§ 2. |
Затухающие колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
14 |
§ 3. |
Вынужденные колебания. Резонанс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
18 |
§ 4. |
Векторная диаграмма напряжений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
24 |
§ 5. |
Связь добротности с формой резонансных кривых . . . . . . . . . . |
26 |
§ 6. |
Переменный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
29 |
§ 7. |
Вынужденные колебания в параллельном контуре . . . . . . . . . . |
36 |
§ 8. |
Метод комплексных амплитуд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
40 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
46 |
|
Г л а в а |
II. Упругие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
50 |
§ 9. |
Волновое уравнение и его решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
50 |
§ 10. |
Скорость и энергия упругих волн в твердой среде . . . . . . . . . . |
57 |
§ 11. |
Перенос энергии упругой волной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
61 |
§ 12. |
Стоячая волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
64 |
§ 13. |
Характеристики звука. Эффект Доплера для звуковых волн . . . |
67 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
70 |
|
Г л а в а |
III. Электромагнитные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
71 |
§ 14. |
Векторное волновое уравнение для электромагнитного поля . . . |
71 |
§ 15. |
Плоская электромагнитная волна и ее свойства . . . . . . . . . . . |
73 |
§ 16. |
Энергия электромагнитных волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
78 |
§ 17. |
Импульс и давление электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . |
80 |
§ 18. |
Дипольное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
82 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
86 |
|
Г л а в а |
IV. Введение в оптику . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
88 |
§ 19. |
Свойства световой волны. Законы отражения и преломления . . |
88 |
§ 20. |
Формулы Френеля. Закон Брюстера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
93 |
6 |
Оглавление |
|
§ 21. |
Фотометрические величины и единицы . . . . . . . . . . . . . . . . . |
100 |
§ 22. |
Законы геометрической оптики. Принцип Ферма. . . . . . . . . . . |
104 |
§ 23. |
Увеличение оптических приборов, вооружающих глаз . . . . . . . |
107 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
112 |
|
Г л а в а |
V. Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
113 |
§ 24. |
Интерференция световых волн от двух когерентных источников |
113 |
§ 25. |
Интерференция двух плоских волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
121 |
§ 26. |
Временн´ая когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
123 |
§ 27. |
Фурье-спектр световой волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
130 |
§ 28. |
Пространственная когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
133 |
§ 29. |
Интерференция в тонких пластинках . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
138 |
§ 30. |
Интерференционный опыт с бипризмой Френеля. . . . . . . . . . . |
141 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
143 |
|
Г л а в а |
VI. Дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
145 |
§ 31. |
Принцип Гюйгенса–Френеля. Зоны Френеля . . . . . . . . . . . . . |
145 |
§ 32. |
Дифракция Френеля от круглого отверстия и диска . . . . . . . . |
152 |
§ 33. |
Дифракция Френеля от щели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
155 |
§ 34. |
Дифракция Фраунгофера от щели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
159 |
§ 35. |
Количественный критерий вида дифракции . . . . . . . . . . . . . . |
162 |
§ 36. |
Многолучевая интерференция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
166 |
§ 37. |
Дифракционная решетка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
169 |
§ 38. |
Дифракционная решетка как спектральный прибор . . . . . . . . . |
172 |
§ 39. |
Разрешающая сила объектива и оптимальное увеличение зри- |
|
|
тельной трубы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
179 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
183 |
|
Г л а в а |
VII. Поляризация света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
186 |
§ 40. |
Поляризованный и естественный свет. Закон Малюса . . . . . . . |
186 |
§ 41. |
Поляризация света при отражении и преломлении. . . . . . . . . . |
193 |
§ 42. |
Двойное лучепреломление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
196 |
§ 43. |
Вращение плоскости поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
202 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
203 |
|
Г л а в а |
VIII. Дисперсия света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
205 |
§ 44. |
Дисперсия света. Групповая скорость . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
205 |
§ 45. |
Элементарная теория дисперсии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
211 |
§ 46. |
Поглощение и рассеяние света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
215 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
217 |
|
Ответы к задачам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
218 |
|
Оглавление |
7 |
П р и л о ж е н и я
I. Основные определения и формулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Электрические колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Гармонические колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Затухающие колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Вынужденные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Упругие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Электромагнитные волны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Свойства световой волны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Фотометрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Поляризация света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Дисперсия света. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
II. Производные единицы СИ электрических, магнитных и световых величин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
III. Постоянные некоторых веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основу настоящего курса физики составляют лекции, читаемые автором слушателям Института криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России. В данной книге излагается материал разделов курса «Колебания и волны» и «Оптика». Подробно рассматриваются колебательные процессы в электрических цепях: гармонические, затухающие и вынужденные электрические колебания, переменный ток. Излагаются основы методов расчета цепей переменного тока: методы векторных диаграмм и комплексных амплитуд.
Главные физические понятия и определения учения о волнах, применяемый для описания волновых процессов математический аппарат излагаются на примере упругих волн. На этой основе анализируются характеристики и свойства электромагнитных волн и дипольного излучения.
Главы книги, посвященные оптике, включают четыре основные раздела — интерференцию, дифракцию, поляризацию и взаимодействие света с веществом (дисперсию). С точки зрения математического аппарата основные результаты волновой оптики получены методами функций действительной переменной. При этом широко используется метод векторных диаграмм, что позволяет избежать привлечения комплексных чисел, добиться наглядности и доступности изложения.
В книге имеется приложение, в которое включены только определения физических понятий, формулировки законов и соответствующие математические формулы излагаемых разделов курса физики. Структура приложения отражает логику содержания основного текста книги. Оно полезно как при первом чтении книги, так и в процессе ее повторения.
Разделы курса физики, составляющие содержание данной книги, являются важной составной частью профессионального образования специалистов в области вычислительной техники и радиотехники.