Физика для бакалавра Часть 2
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Э.М. Нуруллаев, Л.Н. Кротов
ФИЗИКА ДЛЯ БАКАЛАВРА
В двух частях
Часть 2
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 53(075.8) ББК 22.3
Н90
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, доцент А.Л. Зуев (Институт механики сплошных сред УрО РАН); канд. физ.-мат. наук, доцент Т.Е. Шайдурова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Нуруллаев, Э.М.
Н90 Физика для бакалавра : учеб. пособие : в 2 ч. / Э.М. Нуруллаев, Л.Н. Кротов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 410 с.
ISBN 978-5-398-01281-1 Ч. 2. – 410 с.
ISBN 978-5-398-01365-8
Рассмотрены основные понятия о явлениях и законах классической физики, их взаимосвязи и происхождении. Дано представление о магнетизме, волновой оптике, квантовой и ядерной физике.
Предназначено для студентов, обучающихся по программе дисциплины курса общей физики, составленной на основе требований унифицированного учебно-методического комплекса дисциплины«Физика. Уровень1».
УДК 53(075.8) ББК 22.3
ISBN 978-5-398-01365-8 (ч. 2) |
|
ISBN 978-5-398-01281-1 |
© ПНИПУ, 2015 |
2 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
Раздел V. МАГНЕТИЗМ........................................................................... |
8 |
17. Магнитостатика..................................................................................... |
8 |
17.1. Магнитное поле и его природа.................................................... |
8 |
17.2. Графическое изображение магнитных полей........................... |
10 |
17.3. Вектор магнитной индукции. Закон Био–Савара–Лапласа |
|
и его применение к расчету магнитных полей.................................. |
11 |
17.4. Применение закона Био–Савара–Лапласа к расчету |
|
магнитных полей токов....................................................................... |
15 |
17.5. Магнитное поле движущегося заряда....................................... |
17 |
17.6. Закон Ампера............................................................................... |
18 |
17.7. Магнитное взаимодействие постоянных токов........................ |
20 |
17. 8. Движение зарядов в магнитных полях. Сила Лоренца........... |
22 |
17.9. МагнитныйпотокитеоремаГауссадлямагнитныхполей......... |
24 |
17.10 Теорема о циркуляции (закон полного тока)........................... |
26 |
17.11 Расчет магнитных полей соленоида и тороида ....................... |
28 |
17.12. Работа, совершаемая при перемещении контура с током |
|
в магнитном поле................................................................................. |
30 |
Вопросы для самоконтроля................................................................. |
35 |
Проверочные тесты.............................................................................. |
37 |
18. Электромагнитная индукция............................................................. |
44 |
18.1. Явление электромагнитной индукции..................................... |
44 |
18.2. ПравилоЛенца. Уравнениеэлектромагнитнойиндукции........... |
45 |
18.3. Самоиндукция............................................................................. |
49 |
18.4. Взаимная индукция..................................................................... |
50 |
18.5 Индуктивность соленоида........................................................... |
53 |
18.6. Энергия магнитного поля........................................................... |
54 |
Вопросы для самоконтроля................................................................. |
59 |
Проверочные тесты.............................................................................. |
61 |
19. Магнитное поле в веществе................................................................ |
69 |
19.1. Магнитное поле кругового тока ................................................ |
69 |
19.2. Намагничение магнетиков. Напряженность магнитного |
|
поля. Магнитная проницаемость........................................................ |
72 |
19.3. Классификация магнетиков........................................................ |
74 |
19.4. Ферромагнетизм.......................................................................... |
77 |
|
3 |
Вопросы для самоконтроля................................................................. |
83 |
Проверочные тесты.............................................................................. |
84 |
20. Электромагнитныеколебания.............................................................. |
86 |
20.1. Энергетические процессы в контуре......................................... |
86 |
20.2. Гармонические колебания в контуре. |
|
Волновое сопротивление..................................................................... |
90 |
20.3. Затухающие колебания в контуре ............................................. |
91 |
20.4. Величины, характеризующие затухание................................... |
93 |
20.5. Вынужденные колебания в последовательном контуре. |
|
Резонанс. Резонансные кривые для заряда, напряжения, тока. |
|
Реактивные (емкостное и индуктивное) сопротивления.................. |
95 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
100 |
21. УравненияМаксвелла.............................................................................. |
102 |
21.1. Ток смещения............................................................................ |
102 |
21.2. Система уравнений Максвелла в интегральной форме |
|
и физический смысл этих уравнений ................................................ |
106 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
110 |
22. Электромагнитные волны................................................................. |
111 |
22.1. Волновое уравнение.................................................................. |
111 |
22.2. Плоские электромагнитные волны.......................................... |
113 |
22.3. Сферические электромагнитные волны.................................. |
114 |
22.4. Поляризация электромагнитных волн..................................... |
115 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
117 |
Раздел VI. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА...................................................... |
118 |
23. Интерференция.................................................................................. |
118 |
23.1. Общие сведения........................................................................ |
118 |
23.2. Принцип Гюйгенса. Законы отражения и преломления |
|
света с точки зрения волновой теории............................................. |
120 |
23.3. Интерференционноеполеотдвухточечныхисточников.......... |
124 |
23.4. Опыт Юнга....................................................................................... |
128 |
23.5. Интерференция света в тонких пленках ................................. |
132 |
23.6. ИнтерферометрМайкельсона........................................................ |
139 |
23.7. Многолучевая интерференция................................................. |
141 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
143 |
Проверочные тесты............................................................................ |
144 |
24. Дифракция.......................................................................................... |
151 |
24.1. Принцип Гюйгенса–Френеля................................................... |
152 |
24.2. Метод зон Френеля................................................................... |
154 |
4 |
|
24.3. Дифракция Френеля (дифракция сферических волн) |
|
на простейших преградах.................................................................. |
157 |
24.4. Дифракция Фраунгофера (дифракция |
|
в параллельных лучах)....................................................................... |
160 |
24.5. Дифракционная решетка как спектральный прибор.............. |
163 |
24.6. Дифракция на пространственной решетке. |
|
Формула Вульфа–Брэггов.................................................................. |
165 |
24.7. Понятие о голографическом методе получения |
|
и восстановления изображений........................................................ |
167 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
171 |
Проверочные тесты............................................................................ |
173 |
25. Поляризация....................................................................................... |
179 |
25.1. Формаистепеньполяризациимонохроматическихволн......... |
179 |
25.2. Получение и анализ линейно-поляризованного света........... |
181 |
25.3. Закон Малюса............................................................................ |
181 |
25.4. Закон Брюстера......................................................................... |
184 |
25.5. Линейное двулучепреломление............................................... |
185 |
25.6. Прохождениесветачерезлинейныефазовыепластинки.......... |
187 |
25.7. Электрооптический эффект (искусственная оптическая |
|
анизотропия)....................................................................................... |
189 |
25.8. Вращение плоскости поляризации.......................................... |
192 |
25.9. Магнитооптический эффект..................................................... |
194 |
25.10. Интерференция поляризованных лучей................................ |
195 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
197 |
Проверочные тесты............................................................................ |
198 |
26. Поглощение и дисперсия волн......................................................... |
205 |
26.1. Механизм поглощения света.................................................... |
205 |
26.2. Законы поглощения света......................................................... |
207 |
26.3. Дисперсия света........................................................................ |
210 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
216 |
Раздел VII. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.................................................. |
217 |
27. Квантовые свойства электромагнитного излучения....................... |
217 |
27.1. Излучение нагретых тел........................................................... |
217 |
27.2. Спектральные характеристики теплового излучения............ |
219 |
27.3. Закон Кирхгофа......................................................................... |
221 |
27.4. Закон Стефана–Больцмана и закон смещения Вина.............. |
224 |
27.5. Формула Рэлея–Джинса и «ультрафиолетовая |
|
катастрофа» ........................................................................................ |
226 |
|
5 |
27.6. Гипотеза Планка. Квантовое объяснение законов |
|
теплового излучения.......................................................................... |
227 |
27.7. Явление фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта........ |
229 |
27.8. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта................................ |
233 |
27.9. Корпускулярно-волновой дуализм света................................ |
237 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
239 |
Проверочные тесты............................................................................ |
241 |
28. Планетарная модель атома................................................................ |
253 |
28.1. Модели атома Томсона............................................................. |
253 |
28.2. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. |
|
Ядерная модель атома ....................................................................... |
255 |
28.3. Эмпирические закономерности в атомных спектрах. |
|
Формула Бальмера............................................................................. |
257 |
28.4. Модель атома Бора.................................................................... |
259 |
28.5. Схема энергетических уровней в атоме водорода................. |
263 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
268 |
Проверочные тесты............................................................................ |
269 |
29. Квантовая механика........................................................................... |
271 |
29.1.Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля........ |
271 |
29.2. ОпытыДэвиссонаиДжермера. Дифракциямикрочастиц......... |
272 |
29.3. Особые свойства микрочастиц ................................................ |
273 |
29.4. Принцип неопределенности Гейзенберга............................... |
277 |
29.5. Волновая функция, ее статистический смысл........................ |
281 |
29.6. Уравнение Шредингера............................................................ |
286 |
29.7. Квантовая частица в одномерной «потенциальной яме» ...... |
289 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
294 |
Проверочные тесты............................................................................ |
295 |
30. Квантово-механическое описание атомов....................................... |
297 |
30.1. СтационарноеуравнениеШредингерадляатомаводорода...... |
297 |
30.2. Волновые функции и квантовые числа................................... |
299 |
30.3. Эффект Зеемана......................................................................... |
300 |
30.4. Правила отбора для квантовых переходов ............................. |
302 |
30.5. Опыт Штерна и Герлаха........................................................... |
302 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
305 |
Проверочные тесты............................................................................ |
306 |
31. Оптические квантовые генераторы.................................................. |
310 |
31.1. Спонтанное и индуцированное излучение ............................. |
310 |
31.2. Инверсное заселение уровней активной среды...................... |
312 |
6 |
|
31.3. Основные компоненты лазера.................................................. |
314 |
31.4. Условие усиления и генерации света. Особенности |
|
лазерного излучения. Основные типы лазеров |
|
и их применение................................................................................. |
316 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
323 |
32. Элементы физики твердого тела...................................................... |
324 |
32.1. Структура зон в металлах, полупроводниках |
|
и диэлектриках................................................................................... |
324 |
32.2. Заполнение энергетических зон электронами. |
|
Проводники, полупроводники и изоляторы.................................... |
330 |
32.3. Собственная и примесная проводимость |
|
полупроводников............................................................................... |
332 |
32.4. Контактные явления на границе соприкосновения |
|
полупроводников n- и p-типа............................................................ |
338 |
32.5. Полупроводниковые диоды и триоды..................................... |
342 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
347 |
Проверочные тесты............................................................................ |
348 |
Раздел VIII. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА....................................................... |
355 |
33. Основы физики атомного ядра......................................................... |
355 |
33.1. Состав атомного ядра. Характеристики ядра (заряд, масса, |
|
энергия связи нуклонов).................................................................... |
355 |
33.2. Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного |
|
излучения............................................................................................ |
360 |
33.3. Синтез ядер................................................................................ |
364 |
33.4. Деление ядер.............................................................................. |
365 |
33.5. Ядерные силы и модели ядер................................................... |
367 |
33.6. Детектирование ядерных излучений....................................... |
369 |
33.7. Понятие о дозиметрии.............................................................. |
371 |
33.8. Мерызащитыотдействияионизирующегоизлучения............. |
376 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
380 |
Проверочные тесты............................................................................ |
382 |
34. Элементарные частицы..................................................................... |
385 |
34.1. Основные классы элементарных частиц................................. |
386 |
34.2. Элементарные частицы и античастицы .................................. |
387 |
34.3. Свойства элементарных частиц............................................... |
391 |
34.4. Кварки и лептоны...................................................................... |
398 |
34.5. Великое объединение ............................................................... |
403 |
Вопросы для самоконтроля............................................................... |
407 |
Список литературы............................................................................... |
408 |
|
7 |
Раздел V. МАГНЕТИЗМ
17. МАГНИТОСТАТИКА
Рассматриваемые вопросы. Магнитное поле и его приро-
да. Вектор магнитной индукции. Графическое изображение магнитных полей. Закон Био–Савара–Лапласа и его применение к расчету магнитных полей. Магнитное поле движущегося заряда. Закон Ампера. Магнитное взаимодействие постоянных токов. Движение зарядов в электрических и магнитных полях. Сила Лоренца. Магнитный поток и теорема Гаусса для магнитных полей. Теорема о циркуляции (закон полного тока). Расчет магнитных полей соленоида и тороида. Работа, совершаемая при перемещении контура с током в магнитном поле.
17.1. Магнитное поле и его природа
Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Термин «магнитное поле» ввел в 1845 году английский физик М. Фарадей, считавший, что как электрическое, так и магнитное взаимодействие осуществляется посредством единого материального поля.
Магнитное поле тока было обнаружено в 1820 году датским физиком Эрстедом, заметившим, что магнитная стрелка отклоняется под влиянием протекающего вблизи нее тока, стремясь установиться перпендикулярно его направлению. ГейЛюссак и Араго наблюдали намагничивание железа постоянным током, идущим в проводнике. Ампер обнаружил притяжение
8
между проводами, по которым проходили параллельные токи. Им же была выдвинута гипотеза о том, что свойства постоянных магнитов обусловлены циркулирующими в их толще молекулярными токами. Многочисленные последующие опыты показали, что магнитное поле тесно связано с электрическим током. А поскольку электрический ток представляет собой поток движущихся заряженных частиц, то магнитное поле порождается движущимися зарядами.
Ток в проводнике представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому естественно предположить, что магнитное поле должно существовать вокруг всякого движущегося электрического заряда. Непосредственное измерение действия магнитного поля движущихся электронов на магнитную стрелку было произведено в 1911 году советским физиком А.Ф. Иоффе. Им было доказано, что свободные электронные пучки по своему магнитному действию эквивалентны току
впроводниках.
Вопытах профессора Московского университета А.А. Эйхенвальда (1901) было доказано, что магнитное действие конвекционных токов (токов, образованных переносом макроскопических заряженных тел в пространстве) также подобно магнитному действию токов проводимости.
Таким образом, по современным представлениям магнит-
ное поле является одной из форм материи; оно обладает энергией и рядом физических свойств, благодаря которым его можно обнаружить (действие на магнитную стрелку, на движущийся заряд, на токи любой природы и т.д.).
Магнитные поля в природе разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70–80 тыс. км
по направлению к Солнцу и на многие миллионы километров в противоположном направлении. У поверхности земли магнитное поле равно в среднем 40 А/м.
В явлениях микромира роль магнитного поля столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется
9
тем, что все структурные элементы вещества (электроны, протоны), находясь в непрерывном движении, создают собственное магнитное поле.
17.2. Графическое изображение магнитных полей
Магнитное поле является силовым, поэтому его по аналогии
сэлектрическим изображают с помощью линий магнитной индук-
ции – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают
снаправлением вектора В (рис. 17.1). Направление линий магнитной индукции задается правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого по направлению тока, вращается внаправлении линий магнитной индукции (рис. 17.2). Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники стоком. Этим они отличаются от силовых линий электростатического поля, которые являются разомкнутыми: начинаются на положительных зарядах иоканчиваются наотрицательных. Например, для прямолинейного проводника с током силовые линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности с центрами, лежащими на оси проводника (см. рис. 17.2). Поле, обладающее замкнутымисиловыми линиями, называетсявихревым.
В1
В2
Рис. 17.1 |
Рис. 17.2 |
10