22

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ФРАНЦИСКА СКОРИНЫ»

Заочный факультет

Кафедра автоматизированных систем обработки информации

ФИЗИКА

Методические указания и контрольные задания

для студентов‑заочников

по курсу “Оптика и квантовая физика”

Гомель 2007

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТОЛЬНЫХ РАБОТ

Физика наряду с другими естественными науками изучает объективные свойства окружающего нас материального мира. Она исследует наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения. Занимая центральное место среди других наук в объяснении законов природы, физика имеет первостепенное значение в формировании научно‑материалистического мировоззрения.

Процесс изучения общей физики состоит из следующих этапов:

1. посещение и. проработка установочных и обзорных лекций;

2. самостоятельная работа над учебными пособиями и учебниками;

3. выполнение контрольных работ;

4. прохождение лабораторного практикума;

5. сдача зачетов и экзаменов.

Для более глубокого понимания курса физики и для закрепления его в памяти необходимо соответствующий теоретический материал сопровождать решением задач. Это особенно существенно при заочном образовании.

Контрольные работы призваны закрепить усвоение теоретической части каждого раздела курса (программы). В процессе изучения курса физики студент должен выполнить 3 контрольные работы. Решение задач по контрольным заданиям является проверкой степени усвоения студентом теоретического курса, а рецензии на работы имеют целью помочь в доработке и правильном освоении различных разделов курса физики. Перед выполнением контрольной работы студенту необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, основными законами, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами. Прежде чем приступить к решению той или иной задачи, студенту нужно хорошо понять ее содержание и поставленные вопросы.

Каждая контрольная работа включает десять задач по определенному разделу курса общей физики. Определение варианта задания проводится по единой для всех трех контрольных работ системе вариантов в соответствии с последней цифрой шифра. Если, например, последняя цифра шифра студента 7, то в каждой контрольной работе студент решает следующие задачи: 7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77, 87, 97.

При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие правила:

6. контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;

7. условия задач своего варианта переписывать полностью, а данные условия выписать отдельно, при этом все численные величины должны быть переведены в одну систему единиц;

8. для пояснения решения задачи представлять, где это нужно, выполненный аккуратно схематический чертеж;

9. решения задач и используемые формулы должны сопровождаться пояснениями;

10. на титульном листе нужно указывать номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес;

11. при выполнении контрольной работы в пояснениях к задаче необходимо указывать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи;

12. решение задачи сопровождается краткими и ясными пояснениями; при получении расчетной формулы, которая нужна для решения конкретной задачи, приводиться ее вывод;

13. рекомендуется решение задачи сначала сделать в общем виде, т.е. только в буквенных обозначениях; следует пояснять применяемые при написании формул буквенные обозначения;

14. вычисления следует проводить путем подстановки заданных числовых величин в расчетную формулу. Все числовые значения величин, необходимые для решения данной задачи, должны быть выражены в одной системе единиц (должны использоваться единицы СИ);

15. проверить единицы измерения полученных величин по расчетной формуле и тем самым подтвердить ее правильность;

Контрольные работы, представленные без соблюдения указанных выше правил оформления, а также работы, выполненные не по своему варианту, зачитываться не будут.

При повторном рецензировании работ обязательно представлять работу с первоначальной рецензией.

Учебная программа курса «оптика и квантовая физика»

Раздел 1. Природа света Элементы геометрической оптики

И фотометрии.

Тема 1. Предмет оптики. Основные разделы оптики.

История развития представлений о природе света. Электромагнитная и квантовая теории света. Разделы оптики и решаемые в них задачи. Основные общие понятия оптики.

Тема 2. Основы фотометрии.

Система энергетических величин. Размерность и единицы измерения энергетических величин. Световые величины и основные законы фотометрии, единицы измерения световых величин. Соотношение между энергетическими и световыми характеристиками излучения.

Тема 3. Основные явления и законы геометрической оптики.

Основные понятия и законы геометрической оптики. Закон прямолинейного распространения света. Закон независимого распространения световых пучков. Законы отражения света. Законы преломления света. Полное внутреннее отражение.

Тема 4. Основы геометрической оптики.

Принцип Ферма. Преломление света сферической поверхностью. Нулевой инвариант Аббе. Уравнение Лагранжа-Гельмгольца. Центрированная оптическая система и ее кардинальные элементы. Графический способ построения изображения и его применение для линз и оптических систем

Раздел 2 Волновая оптика.

Тема 1 Плоские и сферические волны.

Уравнения плоской и сферической волны. Монохроматические и квазимонохроматические волны. Принцип суперпозиции. Разложение Фурье. Уравнения Максвелла и граничные условия. Энергия, переносимая электромагнитной волной; вектор Умова-Пойнтинга.

Тема 2 Интерференция волн.

Явление интерференции электромагнитных волн. Сложение колебаний.

Основные характеристики интерференции. Способы наблюдения интерференции делением волнового фронта. Способы получения когерентных пучков делением волн по амплитуде. Применение интерференции.

Тема 3 Дифракция света.

Принцип Гюйгенса-Френеля Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера. Метод зон Френеля; достоинства и недостатки метода. Дифракция Фраунгофера на одной щели. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. Дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки.

Тема 4 Основы оптической голографии.

Физические основы метода голографической записи изображений. Схемы записи и восстановления голограмм. Типы голограмм и их свойства. Применение голограмм. Основная схема оптических приборов. Разрешающая способность оптических приборов. Критерий Рэлея.

Тема 5 Поляризация волн.

Линейная, эллиптическая, круговая поляризация волн; формы поляризации. Естественный и поляризованный свет: способы получения поляризованных пучков. Поляризация света при отражении и преломлении на границе изотропных диэлектриков. Законы Брюстера и Малюса. Двойное лучепреломление. Вращение плоскости поляризации.

Раздел 3. Взаимодействие света с веществом.

Тема 1 Дисперсия света.

Дисперсия света и методы ее наблюдения. Нормальная и аномальная дисперсия. Классическая электронная дисперсия света.

Тема 2 Поглощение и рассеяние света веществом.

Поглощение света веществом; закон Бугера. Когерентное рассеяние света; зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны излучения. Комбинационное рассеяние света и его особенности.

Раздел 4. Квантовая природа электромагнитного излучения

Тема 1 Тепловое излучение.

Тепловое излучение и его основные законы: закон Кирхгофа, закон смещения Вина, закон Стефана-Больцмана. Квантовая гипотеза и формула Планка.

Тема 2 Люминесценция.

Люминесценция и ее отличие от теплового излучения. Виды люминесценции. Основные законы люминесценции.

Тема 3 Фотоэлектрический эффект и эффект Комптона.

Квантовые свойства света. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Эффект Комптона.

Тема 4 Оптические квантовые генераторы.

Спонтанное и вынужденное излучение; коэффициенты Эйнштейна. Условия усиления света при его прохождении через вещество. Основные элементы лазера и их назначение. Принцип действия лазера. Непрерывные и импульсные лазеры. Основные свойства лазерного излучения.

Раздел 5. Атомная физика

Тема 1. Строение атома.

Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц веществом. Ядерная модель атома. Постулаты Бора и их экспериментальное подтверждение. Атом водорода по Бору и объяснение спектральных закономерностей. Трудность Боровской теории.

Тема 2. Волновые свойства элементарных частиц.

Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества. Волны де Бройля. Дифракция электронов. Формула Вульфа-Брэгга. Соотношение неопределённостей.

Тема 3. Элементы квантовой механики.

Волновая функция и её статистической смысл. Уравнение Шредингера. Операторы в квантовой механике и их свойства. Операторы важнейших физических величин.

Тема 4. Физика твёрдого тела.

Понятие о статистике Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Квантовые числа. Принцип Паули. Периодическая система элементов Менделеева.

Раздел 6. Физика атомного ядра и элементарных частиц

Тема 1. Естественная радиоактивность.

Открытия Беккереля и Кюри. Естественная и искусственная радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Закон смещения. Радиоактивные ряды.

Тема 2. Атомное ядро.

Состав атомного ядра по Иваненко. Ядерная модель. Изотопы. Масс-спектрограф. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи атомных ядер.

Тема 3. Виды радиоактивных процессов.

Закономерность альфа-распада и бета-распада. Ядерные реакции. Реакция деления тяжёлых ядер. Цепная реакция. Ядерный реактор. Реакция синтеза.