- •3. Элементы кинематики
- •3.1. Материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело - простейшие физические модели
- •3.1.1. Материальная точка
- •3.1.3. Абсолютно твердое тело
- •3.2. Тело отсчета
- •3.3. Система отсчета
- •3.8.1. Скорость направлена по касательной к траектории
- •3.8.2. Компоненты скорости
- •3.9. Вычисление пройденного пути
- •3.10.1. Нормальное и тангенциальное ускорение
- •6. Кинематика вращательного движения
- •6.1. Поступательное и вращательное движение
- •6.2. Псевдовектор бесконечно малого поворота
- •6.5. Связь линейной скорости материальной точки твердого тела и угловой скорости
- •4. Динамика материальной точки
- •4.6.1. Система си (System international)
- •4.6.1.1. Размерность силы
- •4.7. Третий закон Ньютона
- •5. Законы сохранения
- •5.1. Механическая система - это совокупность тел, выделенных нами для рассмотрения 5.1.1. Внутренние и внешние силы
- •5.2. Закон сохранения импульса
- •5.6.1. Консервативность силы тяжести
- •5.6.2. Неконсервативность силы трения
- •5.7. Потенциальная энергия может быть введена только для поля консервативных сил
- •5.8.Закон сохранения механической энергии
- •7. Динамика вращательного движения
- •8. Элементы специальной теории относительности
- •8.2. Принцип относительности Галилея:
- •8.3. Неудовлетворительность механики Ньютона при больших скоростях
- •Принцип постоянства скорости света:
- •8.5.1. Вывод преобразований Лоренца
- •Электричество
- •9. Постоянное электрическое поле
- •9.3. Электрическое поле
- •9.3.6. Принцип суперпозиции электрических полей
- •9.3.7. Напряженность поля точечного заряда
- •9.3.8. Линии напряженности
- •9.4.2.2. Заряд в произвольном месте внутри сферы
- •9.4.2.4. Поток вектора е поля системы зарядов, находящихся внутри замкнутой поверхности
- •9.4.2.5. Поток вектора е для поля, созданного зарядами, находящимися вне замкнутой поверхности
- •9.4.3. Формулировка теоремы Гаусса
- •9.4.4.1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости
- •9.9. Проводник в электрическом поле
- •9.10. Электроемкость уединенного проводника
- •9.11. Электроемкость конденсатора
- •9.12. Энергия электрического поля
- •9.12.1. Плотность энергии электрического поля в вакууме
- •9.13. Электрическое поле в диэлектрике
- •9.13.1. Диэлектрик?
- •9.13.1.1. Два типа диэлектриков - полярные и неполярные
- •9.13.2. Поляризованность диэлектрика (вектор поляризации) - это дипольный момент единицы объема:
- •9.13.4.1. Плотность энергии электрического поля в диэлектрике
- •10. Постоянный электрический ток
- •10.1. Сила тока
- •10.2. Плотность тока
- •10.2.1. Связь плотности тока и скорости упорядоченного движения зарядов
- •10.4. Закон Ома для участка цепи
- •10.5. Закон Ома в дифференциальной форме
- •10.6. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме
- •Магнетизм. Уравнения Максвелла
- •11. Магнитное поле в вакууме
- •11.2. Проводник с током создает только магнитное поле, другой проводник с током реагирует только на магнитное поле
- •11.3. Рамка с током как регистратор магнитного поля. Вектор магнитной индукции
- •11.5.6. Магнитное поле тороида
- •11.6. Закон Ампера
- •11.7. Сила Лоренца - это сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся в нем заряд
- •11.7.1. Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле
- •11.11.1. Потокосцепление
- •11.11.2. Индуктивность соленоида
- •11.11.3. Энергия магнитного поля
- •12. Магнитное поле в веществе
- •12.2. Классификация магнетиков
- •13. Уравнения Максвелла
- •13.1. Первая пара уравнений Максвелла в интегральной форме
- •13.1.1. Первое уравнение первой пары - это закон Фарадея-Ленца
- •13.1.2. Второе уравнение первой пары - нет магнитных зарядов
- •13.2. Вторая пара уравнений Максвелла в интегральной форме
- •13.3. Система уравнений Максвелла в интегральной форме
- •13.4. Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме
- •Литература,
- •14.1.1.4. График гармонического колебания
- •14.2 Дифференциальное уравнение гармонических колебаний
- •14.2.1 Колеблющиеся системы
- •14.3.2. Сложение колебаний одинаковой частоты и одинакового направления
- •14.3.3. Сложение колебаний близких частот
- •14.3.4. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний
- •14.4. Затухающие колебания
- •14.4.1. Колеблющиеся системы
- •14.4.5. Дифференциальное уравнение, описывающее затухающие колебания наших двух систем в этих обозначениях будет иметь один и тот же вид
- •14.4.6. Решение
- •14.4.7. Проверка
- •14.5.5. Дифференциальное уравнение, описывающее вынужденные колебания
- •14.5.6. Решение дифференциального уравнения
- •14.5.6.1. Частное решение неоднородного уравнения
- •14.5.6.1.1. Векторная диаграмма
- •14.5.6.1.2. Резонанс
- •16. Электромагнитные волны
- •16.1. Система уравнений Максвелла для плоской электромагнитной волны
- •16.1.1. Поперечность электромагнитных волн
- •16.1.2. Волновое уравнение
- •16.5.1.1. Вероятностное истолкование электромагнитной волны
- •17. Геометрическая оптика
- •17.1. Законы геометрической оптики
- •17.1.1. Закон прямолинейного распространения света
- •17.1.2. Закон независимости световых лучей
- •17.1.3. Законы отражения и преломления
- •17.2. Полное внутреннее отражение
- •17.3. Тонкие линзы
- •17.3.1. Собирающие и рассеивающие линзы
- •17.3.2. Фокусы линзы, фокальная плоскость
- •17.3.3. Фокусное расстояние тонкой линзы
- •17.3.4. Построение изображения в линзах
- •18.2. Способы получения когерентных источников
- •18.2.1. Опыт Юнга
- •18.2.2. Зеркала Френеля
- •18.2.3. Бипризма Френеля
- •18.2.4. Интерференция при отражении от прозрачных пластинок
- •18.2.4.1. Кольца Ньютона
- •18.3. Многолучевая интерференция
- •19. Дифракция света
- •19.1 Дифракция Френеля и Фраунгофера
- •19.2. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •19.2.1. Математическая формулировка принципа Гюйгенса-Френеля
- •19.3. Зоны Френеля
- •19.3.1. Дифракция Френеля на круглом отверстии
- •19.3.2. Дифракция Фраунгофера на щели
- •19.3.2.1. Таутохронность линзы и ее следствия
- •19.3.2.2. Определение положений максимумов и минимумов методом зон Френеля
- •19.3.2.3. Зависимость интенсивности дифракционной картины от угла дифракции φ
- •19.4 Дифракционная решетка
- •19.4.1. Условие главного максимума для дифракционной решетки
- •19.4.2. Зависимость интенсивности дифракционной картины решетки от угла дифракции φ
- •19.4.2.1. Минимумы интенсивности дифракционной картины решетки
- •19.4.2.2. Добавочные минимумы, ближайшие к главным максимумам
- •19.4.3. График интенсивности Ip(Sinφ )
- •19.4.4. Дифракционная решетка как спектральный прибор
- •19.4.4.1. Угловая дисперсия дифракционной решетки
- •19.4.4.2. Линейная дисперсия
- •19.4.4.3. Разрешающая сила дифракционной решетки
- •19.4.4.3.1. Критерий Релея
- •19.4.4.4. Разрешающая сила решетки для цуга волн. Соотношение между длиной цуга δx и точностью определения волнового числа δk.
- •20. Поляризация света
- •20.1. Плоско поляризованная электромагнитная волна
- •20.2. Принцип действия поляризатора электромагнитной волны
- •20.2.1. Поляроид
- •20.3. Закон Малюса
- •20.3.1. Частично поляризованный свет. Степень поляризации
- •20.4. Эллиптическая и круговая поляризация
- •20.5. Поляризация при отражении и преломлении
- •20.5.1. Формулы Френеля
- •20.5.2. Закон Брюстера
- •20.6. Двойное лучепреломление
- •20.6.1. Модель двояко преломляющего кристалла
- •20.6.1.1. Необыкновенный и обыкновенный луч
- •21. Взаимодействие света с веществом
- •21.1. Дисперсия света
- •21.1.1. Классическая электронная теория дисперсии
- •21.1.1.1. Связь показателя преломления с дипольным моментом молекулы
- •21.1.1.2. Связь дипольного момента молекулы с напряженностью поля световой волны
- •21.1.1.2.1. Простейшая модель атома в поле световой волны
- •21.1.1.2.2. Уравнение движения электрона и его решение
- •21.1.1.2.3. Проекции дипольного момента и напряженности поля волны на ось X
- •21.1.1.3. Выражение для n2
- •21.1.1.4. Анализ зависимости n(ω)
- •21.2.1. Связь групповой скорости u с фазовой скоростью V
- •14 Декабря 1900 г. Считают датой рождения квантовой физики.
- •Лекция n 1 § 2. Тепловое излучение
- •Лекция n 1 § 3. Излучение абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа.
- •Итоги лекции n 1
- •Немецкий физик Макс Планк в 1900 г. Выдвинул гипотезу, согласно которой электромагнитная энергия излучается порциями, квантами энергии. Величина кванта энергии (см. (1.2):
- •Лекция n 2 Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина § 1. Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка
- •§ 2. Закон Стефана-Больцмана и закон Вина
- •Итоги лекции n 2
- •Лекция n 3
- •Проблема фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
- •§ 1. Проблема фотоэффекта
- •Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
- •1) Наибольшее воздействие оказывают ультрафиолетовые лучи;
- •2) Сила тока возрастает с увеличением интенсивности света, освещающего фотокатод;
- •3) Испущенные под действием света заряды имеют отрицательный знак.
- •2) Максимальная кинетическая энергия электронов, у фотокатода, (mv2max)/2, прямо пропорциональна частоте V света, освещающего фотокатод.
- •Лекция n 3 § 2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
- •Итоги лекции n 3
- •Лекция n 4 Боровская теория атома водорода Спектр излучения атома водорода в теории Бора § 1. Боровская теория атома водорода
- •Первый постулат Бора: Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает электромагнитных волн.
- •Условие стационарности состояния атома - квантование момента импульса электрона l.
- •Лекция n 4 § 2. Спектры излучения атома водорода в теории Бора
- •Итоги лекции n 4
- •Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов
- •1. Скорость фотона всегда постоянна и равна скорости света в вакууме.
- •2. Масса фотона
- •3. Энергия фотона
- •4. Импульс фотона
- •§ 3. Интерференция одиночных фотонов
- •Но опыт показывает, что с течением времени на экране наблюдения формируется интерференционная картина с тем же самым расположением максимумов и минимумов, как и при большой интенсивности света.
- •§ 4. Вероятностная интерпретация плотности энергии и интенсивности электромагнитной волны
- •Итоги лекции n 5
- •Лекция n 6 § 2. Дифракция одиночных электронов
- •§ 3. Волновая функция и волна де Бройля
- •Лекция n 6 § 4. Соотношения неопределенностей
- •Соотношения неопределенностей являются следствием корпускулярно-волнового дуализма квантовых объектов.
- •Итоги лекции n 6
- •§ 2. Понятия об операторах физических величин
- •Лекция n 7 § 3. Решение уравнения Шредингера для простейших случаев: свободная частица и частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме
- •Плотность вероятности обнаружения частицы:
- •Итоги лекции n 7
- •§ 2. Квантовые числа
- •Лекция n 8 § 3. Спектры атома водорода в теории Шредингера
- •§ 4. Волновая функция основного состояния атома водорода
- •Итоги лекции n 8
- •Волновые функции ψnlm(r, θ, φ) стационарных состояний атома водорода определяются тремя квантовыми числами:
- •§ 2. Физические основы периодической системы элементов д. И. Менделеева
- •Лекция n 9 § 3. Молекула
- •§ 4. Объяснение температурной зависимости теплоемкостей газов
- •Итоги лекции n 9
- •Элементы физики ядра и элементарных частиц
- •Лекция n 16 § 2. Дефект массы и энергия связи атомного ядра. Ядерные силы
- •1. Слияние (синтез) легких ядер в одно ядро;
- •2. Деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер.
- •Итоги лекции n 16
- •§ 3. Ядерный реактор
- •Лекция n 17 § 4. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций
- •Итоги лекции n 17
- •§ 2. Закон радиоактивного распада
- •Лекция n 18 § 3. Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом
- •Лекция n 18 § 4. Методы регистрации ионизирующих излучений
- •Итоги лекции n 18
- •§ 1. Электронный газ в модели одномерной бесконечно глубокой ямы
- •Лекция n 10 § 2. Электронный газ в модели бесконечно глубокой трехмерной потенциальной ямы
- •Итоги лекции n 10
- •Квантовая теория свободных электронов в металле для модели трехмерной потенциальной ямы (см. § 2) дает следующую формулу для энергии Ферми (см (10.10)):
- •Оценки дают для ef(0) значение около 5 эВ. Элементы квантовой статистики
- •Лекция n 11
- •§2. Анализ функции f(e)
- •Итоги лекции n 11
- •Итоги лекции n 12
- •Квантовая теория электропроводности металлов дает для удельной проводимости σ формулу (12.2):
- •Введение в зонную теорию твердых тел лекция n 13 Происхождение энергетических зон в кристаллах. Металлы, диэлектрики и полупроводники в зонной теории. Собственная проводимость полупроводников
- •§ 1. Происхождение энергетических зон в кристаллах. Металлы
- •§ 2. Диэлектрики и полупроводники
- •Лекция n 13 § 3. Собственная проводимость полупроводников
- •Итоги лекции n 13
- •Если самая верхняя - валентная - зона заполнена наполовину, то она является зоной проводимости. Такие кристаллы относятся к металлам. Все металлы хорошо проводят электрический ток.
- •Донорные примеси, полупроводники n-типа
- •§ 2. Акцепторные примеси. Полупроводники p-типа
- •Лекция n 14 § 3. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод
- •§ 4 . Полупроводниковый триод - транзистор
- •Итоги лекции n 14
- •Основы физики лазеров лекция n 15
- •§ 1. Вводные сведения
- •§ 2. Вынужденное (стимулированное) излучение
- •§ 3. Состояние с инверсией населенности
- •Лекция n 15 § 4. Оптический резонатор
- •§ 5. Способы создания инверсии населенности
- •Лекция n 15 § 6. Виды лазеров и их применение
- •2) Резонансное воздействие на атомы, молекулы и молекулярные комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимические реакции.
- •Итоги лекции n 15
- •Список литературы, использованный при написании II части конспекта лекций по физике
Итоги лекции n 1
Немецкий физик Макс Планк в 1900 г. Выдвинул гипотезу, согласно которой электромагнитная энергия излучается порциями, квантами энергии. Величина кванта энергии (см. (1.2):
ε = hv,
где h=6,6261·10-34 Дж·с - постоянная Планка, v - частота колебаний электромагнитной волны, излучаемой телом.
Эта гипотеза позволила Планку решить проблему излучения абсолютно черного тела.
А Эйнштейн, развивая понятие Планка о квантах энергии ввел в 1905 г. понятие "квант света" или фотон. Согласно Эйнштейну квант электромагнитной энергии ε = hv движется в виде фотона, локализованного в малой области пространства. Представление о фотонах позволило Эйнштейну решить проблему фотоэффекта.
Английский физик Э. Резерфорд, основываясь на экспериментальных исследованиях, проведенных в 1909-1910 гг., построил планетарную модель атома. Согласно этой модели в центре атома расположено очень маленькое ядро (rя ~ 10-15 м), в котором сосредоточена почти вся масса атома. Заряд ядра положителен. Отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра наподобие планет солнечной системы по орбитам, размер которых ~ 10-10 м.
Атом в модели Резерфорда оказался неустойчивым: согласно электродинамике Максвелла электроны, двигаясь по круговым орбитам, должны непрерывно излучать энергию, в результате чего за время ~ 10-8 с они должны упасть на ядро. Но весь наш опыт свидетельствует о стабильности атома. Так возникла проблема стабильности атома.
Решил проблему стабильности атома в 1913 г. датский физик Нильс Бор на основе выдвинутых им двух постулатов. В теории атома водорода, развитой Н. Бором, существенную роль играет постоянная Планка.
Тепловым называется электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии. Тепловое излучение может находиться в термодинамическом равновесии с окружающими телами.
Энергетическая светимость тела R - это отношение энергии dE, испускаемой за время dt поверхностью dS по всем направлениям, к dt и dS (см. (1.5)):
Спектральная плотность энергетической светимости rλ (или испускательная способность тела) - это отношение энергетической светимости dR, взятой в бесконечно малом интервале длин волн dλ, к величине dλ (см. (1.6)):
Поток излучения Ф - это отношение энергии dЕ, переносимой электромагнитным излучением через какую-либо поверхность ко времени переноса dt, значительно превышающему период электромагнитных колебаний (см. (1.13)):
Поглощательная способность тела aλ - это отношение поглощаемого телом потока излучения dФλ' в интервале длин волн dλ к падающему на него потоку dФλ в том же интервале dλ, (см. (1.14):
Абсолютно черное тело - это тело, для которого поглощательная способность тождественно равна единице для всех длин волн и для любой температуры, т.е.
Абсолютно черное тело - это модельное понятие.
Закон Кирхгофа утверждает, что отношение испускательной способности тела rλ к его поглощательной способности аλ одинаково для всех тел и является универсальной функцией длины волны λ (или частоты ω) и температуры Т (см. (1.17)):
Лекция n 2 Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина § 1. Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка
Проблема излучения абсолютно черного тела состояла в том, чтобы теоретически получить зависимость φ(λ,Т) - спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела.
Казалось, что ситуация ясна: при заданной температуре Т молекулы вещества излучающей полости имеют максвелловское распределение по скоростям и излучают электромагнитные волны в соответствии с законами классической электродинамики. Излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, значит для нахождения спектральной плотности энергии излучения u(λ,T) и связанной с ней функции φ(λ,Т) можно использовать законы термодинамики и классической статистики.
Однако, все попытки теоретиков получить на основе классической физики закон излучения абсолютно черного тела потерпели неудачу.
Частичный вклад в решение этой проблемы внесли Густав Кирхгоф, Вильгельм Вин, Иозеф Стефан, Людвиг Больцман, Джон Уильям Релей, Джеймс Хонвуд Джинс.
Проблема излучения абсолютно черного тела была решена Максом Планком. Для этого ему пришлось отказаться от классических представлений и сделать предположение о том, что заряд, совершающий колебания с частотой v, может получать или отдавать энергию порциями, или квантами.
Величина кванта энергии в соответствии с (1.2) и (1.4):
где h - постоянная Планка; v - частота колебаний электромагнитной волны, излученной колеблющемся зарядом; ω = 2πv - круговая частота.
На основе представления о квантах энергии М. Планк, используя методы статистической термодинамики, получил выражение для функции u(ω,Т), дающей распределение плотности энергии в спектре излучения абсолютного черного тела:
Вывод этой формулы будет дан в лекции N 12, § 3 после того, как мы познакомимся с основами квантовой статистики.
Для перехода к спектральной плотности энергетической светимости f(ω,Т) запишем вторую формулу (1.19):
Используя это соотношение и формулу Планка (2.1) для u(ω,T), получим, что:
Это и есть формула Планка для спектральной плотности энергетической светимости f(ω,T).
Теперь мы получим формулу Планка для φ(λ,Т). Как мы знаем из (1.18), в случае абсолютно черного тела f(ω,T) = rω, а φ(λ,Т) = rλ.
Связь между rλ и rω дает формула (1.12), применяя ее мы получим:
Здесь мы аргумент ω функции f(ω,Т) выразили через длину волны λ. Подставляя сюда формулу Планка для f(ω,Т) из (2.2), получим формулу Планка для φ(λ,Т) - спектральной плотности энергетической светимости в зависимости от длины волны λ:
График этой функции хорошо совпадает с экспериментальными графиками φ(λ,Т) для всех длин волн и температур.
Это и означает, что проблем излучения абсолютно черного тела решена.