4. Рабочая программа по физике (часть III)

Основы физической оптики.

Электромагнитная природа света. Шкала электромагнитных волн. Свет.

Интерференция света. Когерентность источников света. Расчёт интерференционной картины от двух когерентных источников. Интерференция в тонких плёнках. Применение интерференции света.

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция на круглых отверстии и экране. Дифракционные решётки и их применение.

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризация при отражении и преломлении света. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Поляризационные призмы. Применение поляризованного света.

Элементы квантовой теории. Основы физики атома и атомного ядра.

Тепловое излучение. Абсолютно чёрное тело и законы его излучения. Гипотеза Планка о квантовании энергии излучения. Распределение Планка.

Корпускулярно-волновой дуализм материи (фотоэффект, дифракция электронов). Волны де Бройля. Принцип неопределённости, соотношение неопределённостей.

Волновая функция и её физический смысл. Уравнение Шредингера для свободной микрочастицы. Микрочастица в бесконечно глубокой потенциальной яме. Атом водорода и водородоподобный атом. Энергетические уровни, спектральные серии атома водорода. Квантовые числа электрона в атоме. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Электронные слои и оболочки атомов. Построение периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Рентгеновское излучение. Свойства и применение рентгеновских лучей. Самопроизвольное и вынужденное излучение. Свойства индуцированного излучения. Оптические квантовые генераторы. Использование ОКГ в строительстве.

Основные характеристики атомных ядер. Ядерные силы и их свойства. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Активность источника. Альфа- и бета- распад и их закономерности. Нейтрино. Гамма- излучение. Проблема элементарных частиц в современной физике. Прохождение быстрых заряженных частиц и гамма-квантов через вещество. Коэффициент поглощения. Механизмы поглощения. Применение радиоактивности в технике. Методы регистрации радиоактивных излучений. Дозиметрия. Ядерные реакции и их основные типы. Основные сведения о ядерной энергетике. Развитие ядерной и создание основ термоядерной энергетики.

5. Список литературы

При самостоятельном изучении теоретической части курса физики студентам рекомендуется использовать следующие учебные пособия:

1. Трофимова Т.И. Курс общей физики, ВШ, М, 2000.

2. Детлаф Б.М., Яворский Г.М. Курс общей физики, ВШ, М, 2000 .

3. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2 и т.3, Наука, М, 1999.

4. Панюшкин А.В., Фадеев В.И. Физика, ч.5. Волновая оптика. Элементы атомной физики и квантовой механики. Текст лекций. - СПб, ПГУПС, 2000, 116 с.

5. Панюшкин А.В., Остроумов В.И. Физика, ч.6. Основы ядерной физики. Текст лекций. - СПб, ПГУПС, 1998, 147 с.

6. Чертов А.Г., Воробьёв А.А. Задачник по физике. Год издания любой.

6. Варианты контрольных работ

ВАРИАНТ №0

Контрольная работа № 5

1. Радиус второго темного кольца Ньютона в отраженном свете 0,4 мм. Определить радиус кривизны плосковыпуклой линзы, взятой для опыта, если она освещается монохроматическим светом с длиной волны 640 нм.

2. Свет от двух точечных когерентных источников с длиной 0,8 мкм падает на экран, где наблюдают интерференцию. Когда на пути одного из световых лучей перпендикулярно ему поместили мыльную пленку с показателем преломления 1,33, интерференционная картина изменилась на противоположную. При какой наименьшей толщине пленки это возможно ?

3. Параллельный пучок света переходит из глицерина в стекло так, что пучок, отраженный от границы раздела этих двух сред, оказался максимально поляризован. Определить угол между падающим и преломленным пучками.

4. Абсолютно черное тело находится при температуре 290 К. В результате остывания этого тела длина волны, на которую приходится максимум излучательной способности, изменилась на 9 мкм. До какой температуры охладилось тело ?

5. На поверхность калия падает свет с длиной волны 150 нм. Определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

6. Энергия рентгеновских квантов равна 0,6 МэВ. Найти энергию электронов отдачи если известно, что длина волны рентгеновских лучей после комптоновского рассеяния изменилась на 20%.

Контрольная работа №6

1. Невозбужденный атом водорода поглощает квант излучения с длиной волны 1,028·10^-7 м. Вычислить, пользуясь теорией Бора, радиус электронной орбиты возбужденного атома водорода.

2. Вычислить длину волны де Бройля для электрона, обладающего кинетической энергией 13,6 эВ (равной энергии ионизации атома водорода). Сравнить полученную длину волны с диаметром атома водорода, который принять равным удвоенному значению боровского радиуса. Нужно ли учитывать волновые свойства электрона при изучении его движения в атоме водорода ?

3. Вычислить неопределенность при измерении скорости платформы массой 2000 кг, если положение её центра масс определяется с точностью до 2·10^-3 м. Какая в этом случае будет неопределенность для импульса ?

4. Оценить с помощью соотношения неопределенностей минимальную кинетическую энергию электрона, движущегося внутри сферической области диаметром 0,1 нм.

5. Вычислить энергию ядерной реакции . Освобождается или поглощается эта энергия ?

ВАРИАНТ 1

Контрольная работа № 5

1. Во сколько раз увеличится расстояние между соседними интерференционными полосами в опыте Юнга, если зеленый светофильтр, пропускающий свет с длиной волны 500 нм, заменить на красный, пропускающий свет с длиной волны 650 нм.

2. Дифракционная решетка, освещенная параллельно падающим монохроматическим светом, отклоняет спектр третьего порядка на угол 30°. На какой угол она отклоняет спектр четвертого порядка ?

3. Пучок света, идущий в стеклянном сосуде с глицерином, отражается от дна сосуда. При каком угле падения отраженный пучок света максимально поляризован ?

4. Из смотрового окошечка печи излучается поток энергии равный 4 кДж/мин. Определить температуру печи, если площадь окошечка равна 8 см².

5. На фотоэлемент с катодом из лития падает свет с длиной волны 200 нм. Найти наименьшее значение задерживающей разности потенциалов, которую нужно приложить к фотоэлементу, чтобы прекратить фототок.

6. В результате эффекта Комптона фотон с энергией 1,02 МэВ рассеялся на свободном электроне на угол 150°. Определить энергию рассеянного фотона.

Контрольная работа № 6.

1. Определить максимальную энергию фотона в серии Бальмера в спектре излучения атомарного водорода.

2. Протон обладает кинетической энергией 1 кэВ. Какую дополнительную энергию нужно ему сообщить, чтобы длина волны де Бройля уменьшилась в три раза?

3. Активность некоторого изотопа за 10 суток уменьшилась на 20 процентов. Определить период полураспада этого изотопа.

4. Определить число атомов радиоактивного препарата иода массой 0,5 мкг, распавшихся в течение 1 мин и за одну неделю.

5. На сколько процентов уменьшится активность изотопа иридия за время равное 15 суткам ?

ВАРИАНТ 2

Контрольная работа № 5

1. На тонкую пленку в направлении нормали к ее поверхности падает монохроматический свет с длиной волны 500 нм. Отраженный от нее свет максимально усилен вследствие интерференции. Определить минимальную толщину пленки, если показатель преломления материала пленки равен 1,4.

2. На пластину со щелью, ширина которой 0,05 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны 700 нм. Определить угол отклонения лучей, соответствующих первому дифракционному максимуму.

3. Чему равен угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора, если интенсивность естественного света, прошедшего через них уменьшилась в 4 раза. Поглощением света пренебречь.

4. Абсолютно черное тело имеет температуру 500 К. Какова будет температура тела, если в результате нагревания поток излучения от него увеличится в пять раз?

5. На пластину падает монохроматический свет с длиной волны 0,42 мкм. Фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов 0,95 В. Определить работу выхода электрона с поверхности пластины.

6. Фотон с энергией 10 эВ падает на серебряную пластину и вызывает фотоэффект. Определить импульс, полученный пластиной, если принять, что направления движения фотона и электрона лежат на одной прямой, перпендикулярной поверхности пластины.

Контрольная работа № 6.

1. Вычислить, используя теорию Бора, радиус второй стационарной орбиты и скорость электрона на этой орбите для атома водорода.

2. Кинетическая энергия электрона равна удвоенному значению его энергии покоя. Вычислить длину волны де Бройля такого электрона.

3. Вычислить неопределенность при измерении скорости платформы массой 2000 кг, если положение её центра масс определяется с точностью до 2·10^-3 м. Какая в этом случае будет неопределенность для импульса ?

4. Определить начальную активность радиоактивного препарата массой 0,2 мкг. Период полураспада этого изотопа 10 мин.

5. Вычислить энергию ядерной реакции . Освобождается или поглощается энергия при этой реакции ?

ВАРИАНТ 3

Контрольная работа № 5

1. Расстояние от щелей до экрана в опыте Юнга равно 1 м. Определить расстояние между щелями, если на отрезке длиной 1 см укладывается 10 темных интерференционных полос. Длина волны падающего света равна 700 нм

2. Дифракционная решетка, освещенная параллельно падающим монохроматическим светом, отклоняет спектр третьего порядка на угол 30°. На какой угол она отклоняет спектр четвертого порядка ?

3. Пучок света, идущий в стеклянном сосуде с глицерином, отражается от дна сосуда. При каком угле падения отраженный пучок света максимально поляризован ?

4. Длина волны, на которую приходится максимум излучения черного тела, равна 0,6 мкм. Определить температуру тела.

5. Температура абсолютно черного тела 2000 К. Определить длину волны, на которую приходится максимум энергии излучения, и спектральную плотность энергетической светимости для этой длины волны.

6. В явлении Комптона энергия падающего фотона распределяется поровну между рассеянным фотоном и электроном отдачи. Угол рассеяния равен 90°. Найти энергию и импульс рассеянного фотона.

Контрольная работа № 6

1. Какую энергию должны иметь электроны, чтобы при возбуждении атомов водорода ударами этих электронов, спектр водорода имел только одну спектральную линию ?

2. Электрон обладает кинетической энергией 1,022 МэВ. Во сколько раз изменится длина волны де Бройля, если кинетическая энергия электрона уменьшится вдвое ?

3. Альфа-частица находится в бесконечно глубоком одномерном прямоугольном потенциальном ящике. Используя соотношение неопределенностей оценить ширину ящика, если известно, что минимальная энергия альфа-частицы равна 8 МэВ.

4. Определить число ядер, распадающихся в образце радиоактивного изотопа фосфора за 1мин и за 5 суток, если масса изотопа равна 1 мкг.

5. Вычислить энергию связи ядер атомов дейтерия и трития.

ВАРИАНТ 4

Контрольная работа № 5

1. Во сколько раз увеличится расстояние между соседними интерференционными полосами в опыте Юнга, если зеленый светофильтр, пропускающий свет с длиной волны 500 нм, заменить на красный, пропускающий свет с длиной волны 650 нм.

2. Какое наименьшее число штрихов должна содержать дифракционная решетка, чтобы в спектре второго порядка можно было видеть раздельно две желтые линии натрия с длинами волн 589,0 нм и 589,6 нм ? Какова длина такой решетки, если постоянная решетки равна 5 мкм.

3. Параллельный пучок света переходит из глицерина в стекло так, что пучок, отраженный от границы раздела этих двух сред, оказался максимально поляризован. Определить угол между падающим и преломленным пучками.

4. Пластинку кварца толщиной 2 мм поместили между параллельными николями, в результате чего плоскость поляризации поляризованного света повернулась на угол 63°. Какой наименьшей толщины нужно взять пластинку, чтобы поле зрения поляриметра стало совершенно темным ?

5. На пластину падает монохроматический свет с длиной волны 0,42 мкм. Фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов 0,95 В. Определить работу выхода электрона с поверхности пластины.

6. Фотон с длиной волны 15 пм рассеялся на свободном электроне. Длина волны рассеянного фотона 16 пм. Определить угол рассеяния.

Контрольная работа № 6

1. Электрон в атоме водорода перешел с четвертого энергетического уровня на второй. Найти энергию испущенного фотона.

2. Найти длину волны де Бройля для электрона, движущегося по первой боровской орбите в атоме водорода.

3. Активность некоторого изотопа за 10 суток уменьшилась на 20 процентов. Определить период полураспада этого изотопа.

4. Во сколько раз уменьшится активность препарата фосфора через 20 суток после начала наблюдения.

5. Вычислить энергетический эффект реакции .

ВАРИАНТ 5

Контрольная работа № 5

1. На тонкую глицериновую пленку толщиной 1,5 мкм нормально к ее поверхности падает белый свет. Определить длины волн участка видимого спектра (от 0,4 мкм до 0,8 мкм), которые будут ослаблены в результате интерференции.

2. На непрозрачную пластину с узкой щелью падает нормально плоская монохроматическая волна длиной 600 нм. Угол отклонения лучей, соответствующих второму дифракционному максимуму, равен 20°. Определить ширину щели.

3. Угол преломления луча в жидкости равен 35°. Определить показатель преломления жидкости, если известно, что отраженный луч света при этом максимально поляризован.

4. Из смотрового окошечка печи излучается поток энергии равный 4 кДж/мин. Определить температуру печи, если площадь окошечка равна 8 см².

5. Красная граница фотоэффекта для вольфрама равна 275 нм. Чему равно минимальное значение энергии фотона, вызывающего фотоэффект ? Какова максимальная скорость электронов, вырываемых из вольфрама светом с длиной волны, равной 180 нм. ?

6. В явлении Комптона энергия падающего фотона распределяется поровну между рассеянным фотоном и электроном отдачи. Угол рассеяния равен 90°. Найти энергию и импульс рассеянного фотона.

Контрольная работа № 6

1. Определить энергию фотона, испускаемого атомом водорода при переходе с третьей боровской орбиты на вторую.

2. Протон обладает кинетической энергией 1 кэВ. Какую дополнительную энергию нужно ему сообщить, чтобы длина волны де Бройля уменьшилась в три раза?

3. Время жизни возбужденного ядра порядка 1 нс, Длина волны излучения равна 0,1 нм. С какой наибольшей точностью может быть определена энергия кванта излучения ?

4. Оценить с помощью соотношения неопределенностей минимальную кинетическую энергию электрона, движущегося внутри сферической области диаметром 0,1 нм.

5. Вычислить энергию ядерной реакции: .

ВАРИАНТ 6

Контрольная работа № 5

1. На тонкую пленку в направлении нормали к ее поверхности падает монохроматический свет с длиной волны 500 нм. Отраженный от нее свет максимально усилен вследствие интерференции. Определить минимальную толщину пленки, если показатель преломления материала пленки равен 1,4.

2. На стеклянной пластинке лежит плоско-выпуклая линза. Сверху линза освещена монохроматическим светом длиной волны 5·10^-7 м. Найти радиус кривизны линзы, если радиус четвертого темного кольца Ньютона в отраженном свете равен 2 мм.

3. Пучок света, идущий в стеклянном сосуде с глицерином, отражается от дна сосуда. При каком угле падения отраженный пучок света максимально поляризован ?

4. Как и во сколько раз изменился поток излучения абсолютно черного тела, если максимум энергии излучения переместился с красной границы видимого света (длина волны 780 нм) на фиолетовую (длина волны 420 нм) ?

5. На поверхность калия падает свет с длиной волны 150 нм. Определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

6. Определить на какой угол рассеялся фотон, испытавший соударение со свободный электроном, если изменение длины волны при рассеянии составило 3,63·10^-12 м.

Контрольная работа № 6

1. Электрон в атоме водорода перешел с четвертого энергетического уровня на второй. Найти энергию испущенного фотона.

2. Вычислить длину волны де Бройля для протона, движущегося со скоростью, равной 0,6 скорости света в вакууме.

3. Оценить минимальную энергию нейтрона в типичном ядре атома радиусом 5·10^-13 м.

4. Счетчик альфа-частиц, установленный вблизи радиоактивного изотопа, при первом измерении зарегистрировал 1000 частиц в минуту, а через 4 часа - только 400 частиц в минуту. Определить период полураспада этого изотопа.

5. Вычислить энергию ядерной реакции . Освобождается или поглощается энергия при этой реакции ?

ВАРИАНТ 7

Контрольная работа № 5

1. На тонкую глицериновую пленку толщиной 1,5 мкм нормально к ее поверхности падает белый свет. Определить длины волн участка видимого спектра (от 0,4 мкм до 0,8 мкм), которые будут ослаблены в результате интерференции.

2. Дифракционная решетка, освещенная параллельно падающим монохроматическим светом, отклоняет спектр третьего порядка на угол 30°. На какой угол она отклоняет спектр четвертого порядка ?

3. На поверхность дифракционной решетки нормально падает монохроматический свет. Постоянная решетки в 4,6 раза больше длины световой волны. Найти число дифракционных максимумов, которые теоретически возможно наблюдать в данном случае.

4. Абсолютно черное тело имеет температуру 500 К. Какова будет температура тела, если в результате нагревания поток излучения от него увеличится в пять раз?

5. Красная граница фотоэффекта для цинка 310 нм. Определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов в электрон-вольтах, если на цинк падает свет с длиной волны 200 нм.

6. Какая доля энергии фотона приходится при эффекте Комптона на электрон отдачи, если: рассеяние фотона приходится на угол 90° ? Энергия фотона до рассеяния равна 0,51 МэВ.

Контрольная работа №6

1. Электрон в атоме водорода находится на третьем энергетическом уровне. Определить его кинетическую, потенциальную и полную энергии.

2. Вычислить длину волны де Бройля для электрона, обладающего кинетической энергией 13,6 эВ (равной энергии ионизации атома водорода). Сравнить полученную длину волны с диаметром атома водорода, который принять равным удвоенному значению боровского радиуса. Нужно ли учитывать волновые свойства электрона при изучении его движения в атоме водорода ?

3. Время жизни возбужденного ядра порядка 1 нс, Длина волны излучения равна 0,1 нм. С какой наибольшей точностью может быть определена энергия кванта излучения ?

4. Счетчик альфа-частиц, установленный вблизи радиоактивного изотопа, при первом измерении зарегистрировал 1000 частиц в минуту, а через 4 часа - только 400 частиц в минуту. Определить период полураспада этого изотопа.

5. Вычислить энергию связи ядер атомов дейтерия и трития.

ВАРИАНТ 8

Контрольная работа № 5

1. Во сколько раз увеличится коэффициент полезного действия цикла Карно при повышении температуры нагревателя от 380 К до 560 К. Температура холодильника 280 К.

2. Сколько штрихов на 1 мм длины имеет дифракционная решетка, если зеленая линия ртути с длиной волны 546, 1 нм в спектре первого порядка наблюдается под углом 19° 08´ ?

3. Чему равен угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора, если интенсивность естественного света, прошедшего через них уменьшилась в 4 раза. Поглощением света пренебречь.

4. Вычислить энергию, излучаемую абсолютно черным телом за 1 мин с площади поверхности 1 см², если его температура равна 1000 К.

5. На фотоэлемент с катодом из лития падает свет с длиной волны 200 нм. Найти наименьшее значение задерживающей разности потенциалов, которую нужно приложить к фотоэлементу, чтобы прекратить фототок.

6. Фотон с энергией равной энергии покоя электрона mc² рассеивается на свободном электроне на угол 120°. Определить энергию рассеянного фотона и кинетическую энергию электрона отдачи.

Контрольная работа №6

1. Какую энергию должны иметь электроны, чтобы при возбуждении атомов водорода ударами этих электронов, спектр водорода имел только одну спектральную линию ?

2. Вычислить длину волны де Бройля для протона, движущегося со скоростью, равной 0,6 скорости света в вакууме.

3. Активность некоторого изотопа за 10 суток уменьшилась на 20 процентов. Определить период полураспада этого изотопа.

4. Вычислить дефект массы и энергию связи ядра .

5. Вычислить энергетический эффект реакции .

ВАРИАНТ 9

Контрольная работа № 5

1. На мыльную пленку с показателем преломления 1,33 падает нормально монохроматический свет с длиной волны 0,6 мкм. Отраженный свет в результате интерференции имеет наибольшую интенсивность. Какова при этом возможная наименьшая толщина пленки ?

2. Свет от двух точечных когерентных источников с длиной 0,8 мкм падает на экран, где наблюдают интерференцию. Когда на пути одного из световых лучей перпендикулярно ему поместили мыльную пленку с показателем преломления 1,33, интерференционная картина изменилась на противоположную. При какой наименьшей толщине пленки это возможно ?

3. Кварцевую пластину поместили между скрещенными николями. При какой наименьшей толщине кварцевой пластины поле зрения между николями будет максимально просветлено ? Постоянная вращения кварца равна 27 град/м.

4. Пластинку кварца толщиной 2 мм поместили между параллельными николями, в результате чего плоскость поляризации поляризованного света повернулась на угол 63°. Какой наименьшей толщины нужно взять пластинку, чтобы поле зрения поляриметра стало совершенно темным ?

5. На цинковую пластинку падает пучок ультрафиолетового света с длиной волны 0,2 мкм. Определить максимальную кинетическую энергию и максимальную скорость фотоэлектронов.

6. Рентгеновское излучение рассеивается электронами, которые можно считать практически свободными. Определить максимальную длину волны рентгеновского излучения в рассеянном пучке.

Контрольная работа №6

1. Электрон в атоме водорода перешел с четвертого энергетического уровня на второй. Найти энергию испущенного фотона.

2. Электрон, начальной скоростью которого можно пренебречь, прошел ускоряющую разность потенциалов 510 кВ. Найти длину волны де Бройля для этого электрона.

3. Атом испустил фотон с длиной волны 8·10^-7 м. Продолжительность излучения 10^-8 с. Определить наибольшую точность, с которой может быть измерена длина волны излучения.

4. Оценить с помощью соотношения неопределенностей минимальную кинетическую энергию электрона, движущегося внутри сферической области диаметром 0,1 нм.

5. Вычислить энергию ядерной реакции . Освобождается или поглощается эта энергия ?