Ермолаева Физика разделы Колебания и волны Оптика 2015

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт

Н. В. Ермолаева

ФИЗИКА

(разделы «Колебания и волны», «Оптика», «Физика атомов и молекул»,

«Физика атомногоядра и элементарных частиц»)

Учебно-методическое пособие к выполнению практических заданий

для студентов очной формы обучения

Рекомендовано кизданию УМО «Ядерныефизикаи технологии»

Москва 2015

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В процесс изучения физики входят:

-проработка теоретического материала лекций по дисциплине;

-самостоятельная работа над учебниками и учебными пособия-

ми;

-выполнение индивидуальных домашних заданий;

-выполнение лабораторного практикума;

-решение задач на практических занятиях;

-сдача зачета или экзамена.

Практическое занятие составляет неотъемлемую часть учебного процесса при изучении физики и направлено на формирование умения решать физические задачи. Решение задач позволяет закре- пить теоретический материал курса физики, приобрести навыки практического применения основных законов и формул. Умение решать задачи является одним из критериев оценки глубины изу- чения материала.

Основная цель учебно-методического пособия – сформировать физическое мышление, привить навыки и культуру решения кон- кретных физических задач, научить доводить решение до конечно- го результата, оказать студентам методическую помощь в выпол- нении самостоятельных и контрольных работ.

Пособие состоит из двух разделов по темам:

1.Колебания и волны. Оптика.

2.Физика атомов и молекул. Физика атомного ядра и элемен- тарных частиц.

В каждом разделе приводится список рассматриваемых тем, краткая теория, примеры решения задач по темам и варианты задач для самостоятельного решения.

В пособии рассмотрены методы и приемы решения типовых за- дач, способствующие углубленному пониманию физических зако- нов и развитию умения рассуждать (аналитически мыслить). Реше- ния задач выполнены по единой схеме: составлены необходимые уравнения, проведено их решение в общем виде, подставлены чис- ловые данные, выписан ответ.

Большинство задач, приведенных в данном пособии, взято из задачников [1–6], [10], [13], многие задачи переработаны, часть задач составлена автором пособия.

4

В приложении приведены необходимые для решения справоч- ные материалы: базовые формулы алгебры и тригонометрии, фор- мулы приведения для тригонометрических функций, значения три- гонометрических функций для стандартных углов, формулы диф- ференциального и интегрального исчисления, формулы для при- ближенных вычислений, некоторые сведения о единицах физиче- ских величин, основные физические постоянные и таблицы физи- ческих величин.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная по лекционному курсу

1.Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособие для вузов. –14-е изд. М.: Академия, 2007.

2.Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. – 9-е изд., стер. СПб.: Лань, 2007.

(Учебники для вузов. Специальная литература.)

3.Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.– 9-е изд., стер. СПб.: Лань, 2007. (Учебники для вузов. Специальная литература.)

4.Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х т. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атом- ного ядра и элементарных частиц. – 8-е изд., стер. СПб.: Лань, 2007.

(Учебники для вузов. Специальная литература.)

Основная к практическим занятиям

1.Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по курсу физики с ре- шениями. М.: Высшая школа, 2002.

2.Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике: Учебное пособие для втузов. – 8-е изд., перераб. и доп. М.: Физматлит, 2008.

3.Савельев И.В. Сборник вопросов и задач по общей физике: Учебное пособие для студентов втузов. М.: Астрель (изд-во АСТ), 2005.

Дополнительная литература

1. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. М.:

Наука, 1985.

5

2.Калашников Н.П., Смондырев М.А. Основы физики. В 2-х т. Т.1.

М.: Дрофа, 2007.

3.Калашников Н.П., Смондырев М.А. Основы физики. В 2-х т. Т.2. М.:

Дрофа, 2007.

4.Фирганг Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей физики:

Учеб. пособие. –3-е изд. СПб.: Издательство «Лань», 2008.

6

1.КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ОПТИКА

Вданном разделе рассматриваются следующие темы:

-Свободные гармонические колебания, сложение колебаний;

-Затухающие и вынужденные колебания. Переменный ток;

-Упругие волны, электромагнитные волны;

-Геометрическая оптика;

-Интерференция света;

-Дифракция света;

-Поляризация света;

-Законы теплового излучения;

-Фотоэффект. Давление света;

-Эффект Комптона. Атом водорода по теории Бора.

По каждой теме даны основные законы и формулы, разобраны решения нескольких типовых задач, а также приведено по 20 задач для самостоятельного решения.

1.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ

1.1.1. Свободные гармонические колебания, сложение колебаний

Кинематическое уравнение гармонических колебаний матери-

альной точки записывается в виде

где x – смещение; A – амплитуда колебаний; ω – круговая или цик- лическая частота; ϕ – начальная фаза.

Мгновенная скорость материальной точки, совершающей гар- монические колебания, равна

Мгновенное ускорение материальной точки, совершающей гар- монические колебания, определяется формулой

Связь между циклической частотой ω, периодом колебаний Т и частотой ν

7

Сила, действующая на тело при свободном гармоническом ко-

лебании (квазиупругая сила):

Дифференциальное уравнение свободных колебаний тела массой m, закрепленного на пружине с упругостью k имеет вид

где L – индуктивность, C – емкость, q – заряд на обкладках конден- сатора.

Период колебаний в электромагнитном контуре (формула Том-

сона)

Т = 2π LC .

Изменение напряжения на конденсаторе и силы тока в контуре:

где U0, I0 – амплитудные (максимальные) значения напряжения и силы тока.

8

Полная энергия материальной точки, совершающей гармониче-

ские колебания

где m – масса точки; ω – круговая (циклическая) частота; А – ам- плитуда колебаний.

Полная энергия электромагнитного поля колебательного кон-

Период колебаний тела, подвешенного на пружине (пружинный

mga

мент инерции колеблющегося тела относительно оси колебаний; а – расстояние центра масс маятника от оси колебаний.

При сложении n (n > 2) одинаково направленных гармонических колебаний равных периодов для нахождения амплитуды и начальной фазы результирующего колебания эффективно применять метод векторных диаграмм.

Любое гармоническое колебание x = Acos(ωt + ϕ0) (или y = Asin(ωt + ϕ0)) можно представить как вращающийся со скоро- стью ω вектор длины А, образующий с осью угол φо, проекция ко- торого на ось x в каждый момент времени равна смещению х (рис.

9

1.1). Если привести этот вектор во вращение с угловой скоро- стью ω0, то проекция конца век- тора будет перемещаться по оси х в пределах от –А до +А, при- чем координата этой проекции будет изменяться со временем по указанному выше закону.

Рис. 1.1 Таким образом, проекция конца вектора на ось будет совершать гармоническое колебание с амплитудой, равной длине вектора, с круговой частотой, равной угловой скорости вращения вектора, и с начальной фазой ϕ0.

Пусть тело участвуют в двух колебательных движениях, проис- ходящих вдоль одного направления с равными частотами:

y1 = Asin(ωt + ϕ 01 ) , y2 = Asin(ωt + ϕ 02 ) .

Построим векторные диаграммы этих колебаний методом вра- щающегося вектора (рис. 1.2). Так как векторы А1 и А2 вращаются с одинаковой угловой скоростью ω, то разность фаз ϕ02 – ϕ01 между ними остается постоянной.

где амплитуда результирующего колебания определяется как

Фаза колебаний φ определяется как тангенс угла наклона ре- зультирующей амплитуды:

10