- •Предисловие
- •1. физические основы механики
- •1.1. кинематика материальной точки
- •1.1.1. Общие понятия механики.
- •1.1.2. Кинематика точки
- •1.1.3. Скорость
- •1.1.4. Ускорение
- •1.1.5. Примеры
- •1.2. ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ
- •1.2.1. Основные понятия
- •1.2.2. Законы динамки поступательного движения
- •1.2.3. Вес тела
- •1.2.4. Инерциальные системы отсчета
- •1.2.5. Принцип относительности Галилея
- •1.2.6. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции
- •1.2.7. Закон сохранения импульса
- •1.2.9. Центр инерции
- •1.3. работа и энергия
- •1.3.1. Работа
- •1.3.2. Энергия
- •1.3.3. Кинетическая и потенциальная энергии
- •1.3.4. Закон сохранения механической энергии
- •1.3.5. Удар абсолютно упругих и неупругих тел
- •1.4. вращательное движение твердого тела
- •1.4.1. Кинематика вращательного движения
- •1.4.2. Кинетическая энергия вращательного движения. Момент инерции
- •1.4.3. Основное уравнение динамики вращательного движения
- •2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
- •2.1.1. Предмет молекулярной физики
- •2.1.2. Термодинамические параметры
- •2.1.3. Идеальный газ
- •2.1.4. Основное уравнение МКТ газов для давления
- •2.2. движение газовых молекул
- •2.2.1. Скорость теплового движения молекул
- •2.2.2. Распределение молекул по скоростям (закон Максвелла)
- •2.2.3. Закон распределения Больцмана
- •2.2.4. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул
- •2.3. первое начало термодинамики
- •2.3.1. Внутренняя энергия идеального газа
- •2.3.3. Работа при расширении газа
- •2.3.5. Адиабатический процесс
- •2.4. второе начало термодинамики
- •2.4.1. Характеристики тепловых процессов
- •2.4.2. Принцип действия тепловой машины
- •2.4.3. Второе начало термодинамики
- •2.4.4. Энтропия
- •2.5. реальные газы
- •2.5.1. Отклонение свойств газов от идеальных
- •2.5.3. Критическое состояние вещества
- •2.6. жидкости
- •2.6.1. Свойства жидкостей
- •2.6.2. Поверхностное натяжение
- •2.6.3. Явление смачивания
- •2.6.5. Капиллярность
- •2.6.6. Тонкие слои жидкости
- •2.6.7. Поверхностно-активные вещества. Адсорбция
- •3. электричество и магнетизм
- •3.1. электрические заряды и электрическое поле
- •3.1.1. Взаимодействие тел
- •3.1.2. Электрический заряд
- •3.1.3. Закон Кулона
- •3.1.4. Единицы заряда
- •3.1.5. Электрическое поле
- •3.1.7. Теорема Гаусса
- •3.2. потенциал электрического поля
- •3.2.1. Работа сил электрического поля
- •3.2.3. Потенциал электрического поля
- •3.2.5. Эквипотенциальные поверхности
- •3.3. электростатика диэлектриков
- •3.3.1. Проводники и диэлектрики
- •3.3.2. Поляризационные заряды в диэлектриках
- •3.3.4. Типы диэлектриков
- •3.3.5. Вектор поляризации
- •3.3.6. Поляризация диэлектриков
- •3.3.7. Вектор поляризации и связанные заряды
- •3.3.8. Электрическое поле в диэлектриках
- •3.3.9. Теорема Гаусса для диэлектриков. Электрическое смещение
- •3.3.10. Сегнетоэлектрики
- •3.4.1. Электрическое поле заряженного проводника
- •3.4.2. Электроемкость
- •3.4.3. Емкость проводящей сферы
- •3.4.4. Конденсаторы
- •3.4.5. Энергия электростатического поля
- •3.5. постоянный электрический ток
- •3.5.1. Электрический ток
- •3.5.2. Сила и плотность тока
- •3.5.3. Источники тока. ЭДС
- •3.5.4. Закон Ома. Сопротивление проводников
- •3.5.5. Правила Кирхгофа
- •3.5.6. Работа и мощность тока
- •3.6. электропроводность металлов
- •3.6.1. Свободные электроны в проводниках
- •3.6.2. Свойства электронного газа
- •3.7. ток в полупроводниках
- •3.7.1. Полупроводники
- •3.7.2. Собственная проводимость полупроводников
- •3.7.3. Примесная проводимость полупроводников
- •3.7.4. Применение полупроводников
- •3.8. магнитное поле
- •3.8.1. Магнитные силы
- •3.9. магнитное поле проводников с током
- •3.9.1. Магнитное поле токов
- •3.9.3. Магнитный поток
- •3.9.5. Закон полного тока
- •3.10. электромагнитная индукция
- •3.10.1. Закон электромагнитной индукции
- •3.10.2. Правило Ленца
- •3.10.3. Возникновение индукционного тока в витке
- •3.10.4. Явление самоиндукции
- •3.10.5. Магнитная проницаемость вещества
- •3.10.6. Энергия магнитного поля
- •3.11. магнитные свойства веществ
- •3.11.1. Магнитное поле в веществе. Вектор намагничивания
- •3.11.3. Элементарные носители магнетизма
- •3.11.4. Диамагнетизм
- •3.11.5. Парамагнетизм
- •3.11.6. Ферромагнетики
- •3.12. уравнения максвелла
- •3.12.1. Общая характеристика уравнений
- •3.12.3. Второе уравнение Максвелла. Ток смещения
- •3.12.4. Полная система уравнений Максвелла
- •4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
- •4.1. колебательное движение
- •4.1.1. Общие сведения о колебаниях
- •4.1.2. Механические колебания
- •4.1.4. Гармонические колебания в электрической системе
- •4.1.6. Сложение двух перпендикулярных гармонических колебаний
- •4.2. свободные и вынужденные колебания
- •4.2.1. Затухающие колебания
- •4.2.2. Характеристики затухания
- •4.2.3. Вынужденные колебания
- •4.3.1. Образование и распространение волн в упругой среде
- •4.3.2. Уравнение бегущей волны
- •4.3.3. Энергия упругих волн
- •4.4. электромагнитные волны
- •4.4.1. Свойства электромагнитных волн
- •4.4.3. Шкала электромагнитных волн
- •5. ОПТИКА
- •5.1. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
- •5.1.1. Предмет оптики
- •5.1.2. Световая волна
- •5.1.3. Интерференция волн. Когерентность
- •5.2. Дифракция света
- •5.2.2. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света
- •5.2.3. Дифракция на щелях
- •5.3.1. Естественный и поляризованный свет
- •5.3.4. Закон Малюса
- •5.3.5. Поляризация при отражении и преломлении
- •5.3.6. Вращение плоскости поляризации
- •5.3.7. Применение поляризации
- •5.4.1. Проблема теплового излучения
- •5.4.2. Законы теплового излучения абсолютно черного тела
- •5.4.3. «Ультрафиолетовая катастрофа»
- •5.4.4. Квантовая гипотеза Планка
- •5.4.5. Фотоэффект
- •5.4.6. Фотон и его свойства
- •6. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
- •6.1. введение в квантовую механику
- •6.1.1. Волновые свойства частиц
- •6.1.2. Физический смысл волн де Бройля
- •6.1.3. Волновая функция
- •6.1.4. Соотношение неопределенностей
- •6.2. квантовомеханическое описание движения частиц
- •6.2.1. Уравнение Шредингера
- •6.2.2. Частица в потенциальной яме
- •6.3. строение атома
- •6.3.1. Корпускулярная модель атома
- •6.3.2. Квантовомеханическое описание водородного атома
- •6.4. многоэлектронные атомы
- •6.4.1. Спин электрона
- •6.4.2. Принцип Паули
- •6.4.3. Электронная структура оболочек атомов
- •6.4.4. Рентгеновские лучи
- •7. ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
- •7.1. атомное ядро
- •7.1.1. Состав атомного ядра
- •7.1.2. Энергия связи ядра
- •7.1.3. Ядерные силы
- •7.1.4. Модели ядра
- •7.2. радиоактивный распад ядер
- •7.2.1. Явление радиоактивности
- •7.2.3. Альфа-распад
- •7.3. ядерные реакции
- •7.3.1. Уравнение ядерной реакции
- •7.3.2. Законы сохранения в ядерных реакциях
- •7.3.3. Составное ядро
- •7.3.4. Типы ядерных реакций
- •7.3.5. Трансурановые элементы
- •7.4. физические основы ядерной энергетики
- •7.4.1. Деление ядер
- •7.4.2. Термоядерные реакции
- •8. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
- •8.1. Единицы и размерности физических величин
- •8.2.1. Погрешности прямых измерений
- •8.2.3. Учет инструментальной и случайной погрешностей
- •8.2.4. Исключение промахов
- •8.2.6. Точность измерительных приборов
- •8.2.7. О точности вычислений
- •8.2.8. Графические методы обработки результатов измерений
- •СОДЕРЖАНИЕ
- •Конспект лекций по физике
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
1 |
|
λ |
. |
|
|
(4.3.12) |
xузл = ± n + |
2 |
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
Из формул |
|
(4.3.11) и (4.3.12) |
следует, что расстояния между соседними |
|||||
пучностями, как |
и |
|
узлами, равно |
λ . S |
|
|||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
Пучности и узлы смещены друг относи- |
|
|
||||||
тельно друга на |
|
λ |
|
(рис. 4.3.5). При из- |
|
x |
||
|
4 |
|
|
|||||
|
|
−S λ/4 λ/2 λ/2 λ/2 |
|
|||||
менении х на |
λ cos kx в (4.3.10) |
меня- |
|
|||||
|
2 |
|
|
|
|
Рис. 4.3.5 |
|
|
ет знак на обратный, поэтому в пределах |
|
|||||||
|
|
одной полуволны (от одного узла до другого) частицы отклонены в одну сторону, а в пределах соседней – в противоположную.
Стоячая волна отличается от бегущей следующим:
вбегущей волне амплитуды везде одинаковы, в стоячей – различны в разных местах; имеются узлы и пучности;
впределах одного участка (между соседними узлами) все точки колеблются в одинаковой фазе, в бегущей – фазы зависят от координат;
встоячей волне нет одностороннего переноса энергии, как в бегущей вол-
не.
4.4.ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
4.4.1.Свойства электромагнитных волн
Из теории Максвелла следует, что переменное электрическое поле порож-
дает магнитное, а переменное магнит- |
|
E0 |
|
|
|
|
ное поле – электрическое. Эти вторич- |
|
E |
E |
E |
||
|
|
|||||
ные поля носят вихревой характер; си- |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
ловые линии порождающего поля кон- |
|
|
|
|
|
|
центрически |
охвачены концентриче- |
B |
|
B |
|
B |
скими линиями порождаемого поля. В |
|
|
||||
результате образуется система «пере- |
|
Рис. 4.4.1 |
|
|
||
плетенных» |
между собой электриче- |
|
|
|
ских и магнитных полей, образующих единое электромагнитное поле. «Мгновенный» снимок такого поля представлен на рис. 4.4.1.
Будучи первоначально связаны с зарядами и токами, переменные электрические и магнитные поля могут затем существовать независимо от зарядов и токов и, порождая друг друга, перемещаться в пространстве с конечной скоростью. Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называют электромагнитной волной.
Электромагнитная волна характеризуется двумя векторами напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В (чаще напряженностью маг-
−
нитного поля H = μμB0 ). Связь между ними и зависимость их от координат и
времени определяются системой дифференциальных уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Они с помощью математических преобразований могут быть получены из интегральных уравнений Максвелла. Так, можно показать, что напряженности Е и Н переменного электромагнитного поля удовлетворяют волновому уравнению:
|
d2E |
z |
|
= |
εμ d2E |
z |
; |
d2Hy |
= |
εμ d2Hy |
. |
(4.4.1) |
||
|
dx2 |
|
c2 |
dt2 |
|
dx2 |
c2 |
dt2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Решение этих уравнений представляет уравнение плоской электромагнит- |
||||||||||||||
ной волны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ez = E0 cos(ωt − kx); |
Hy = H0 cos(ωt − kx). |
(4.4.2) |
||||||||||||
Здесь |
c = |
1 |
|
= 3 108 м/ с − электродинамическая постоянная. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
ε0μ0 |
|
|
|
|
|
|
|
Как видно, теория Максвелла предсказала существование электромагнитных волн и позволила определить фазовую скорость электромагнитной волны
V = |
c |
. |
(4.4.3) |
|
εμ |
|
|
Для вакуума ε = 1, μ = 1 и V = c. Следовательно, электродинамическая постоянная есть скорость электромагнитной волны в вакууме. Сравнение ее с известными в то время значениями скоростей света в вакууме показало, что обе величины практически совпадают. Это навело Максвелла на мысль об электромагнитной природе света.
Из уравнений Максвелла следует, что векторы Е и Н в электромагнитной волне взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной (рис. 4.4.2). Из этих же уравнений следует, что модули векторов Е и Н у электромагнитной волны связаны соотношением
μμ0H2 = εε0E2 .
Электромагнитное поле обладает энергией. Поэтому распространение электромагнитных волн связано с переносом энергии в пространстве. Вектор S плотности потока энергии электромагнитных волн называется вектором
Умова-Пойнтинга:
S = ϖV ,
(26.4)
z |
|
E |
|
H |
V |
|
|
y |
Рис. 4.4.2 |
|
(4.4.5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
V – скорость |
электромагнитной |
волны, |
|
ϖ = ϖE + ϖH |
|
− объемная |
|||||||||||||||||
плотность |
|
|
|
энергии |
|
|
|
электромагнитного |
|
поля. |
|
Т.к. |
||||||||||||||
|
1 |
|
|
, |
|
|
B2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
ϖ = |
1 (εε0E2 |
+μμ0H2 ). |
H |
|||||||
ϖE = |
E2 |
ϖH = |
= |
2 |
0H |
, |
|
то |
С помо- |
|||||||||||||||||
2εε |
0 |
|
|
|
2μμ0 |
|
μμ |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
ϕ |
|
r |
E |
||||||
|
|
|
|
можно получить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
щью (4.4.4) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ϖ = |
|
|
ε0μ0εμ E H = |
1 E H, |
|
S = E H |
или в векторном виде |
|
|
|
||||||||||||||||
S = [E H ]. |
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.4.6) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.4.4 |
||||
4.4.2. |
|
Излучение |
электромагнитных |
волн |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Источниками |
электромагнитных |
волн |
(электромагнитного |
излучения) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I(ϕ) |
служат переменные токи, колебательное движение ионов, электронов и других |
||||||||||||||||||||||||||
заряженных частиц, вращение электронов в атоме вокруг ядра иϕт.п. |
|
|
||||||||||||||||||||||||
Простейшей излучающей системой является электрический диполь с гар- |
||||||||||||||||||||||||||
монически изменяющимся дипольным моментом |
P = P0 cos ωt |
(рис. 4.4.3). В |
||||||||||||||||||||||||
начальный момент заряды совмещены и |
Р = 0. Через время t = |
1 T |
они рас- |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.4.5 |
4 |
|
|
||
ходятся на |
xmax = l |
и |
P = Pmax = q l . Затем заряды вновь сходятся |
(Р = 0), а |
||||||||||||||||||||||
через t = T |
сходятся вновь. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Такой процесс периодически повторяется и создаваемое диполем перемен- |
||||||||||||||||||||||||||
ное электромагнитное поле распространяется от него в виде сферической элек- |
||||||||||||||||||||||||||
тромагнитной волны |
(рис. 4.4.4). |
В такой вол- |
|
индикатор |
+ |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
не Е колеблется в плоскости оси диполя, |
Н – в |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
перпендикулярной |
плоскости. |
Интенсивность |
± |
l |
|
|
|
|
± |
|||||||||||||||||
излучения зависит от направления луча (от угла |
|
|
+ |
|
|
|||||||||||||||||||||
ϕ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 4.4.5 |
представлена полярная диа- |
|
|
|
Рис. 4.4.7 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.4.6 |
|
|
|
|
||||||||||
грамма направленности излучения диполя. Как |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
||||||||||||||||||
видно, Imax |
|
при |
ϕ = |
π |
и |
Imin = 0 |
при |
ϕ = 0. |
|
|
Рис. 4.4.3 |
|
||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Другим примером возбуждения электромагнитного излучения является откры- |
||||||||||||||||||||||||||
тый колебательный контур. |
|
Рассмотренный в предыдущей главе колебатель- |
||||||||||||||||||||||||
ный контур является закрытым. В нем энергия электрического поля сосредото- |
||||||||||||||||||||||||||
чена в конденсаторе, а магнитного – в катушке. Если раздвинуть пластины кон- |
||||||||||||||||||||||||||
денсатора, то получим открытый колебательный контур, |
в котором возбуж- |
|||||||||||||||||||||||||
даемые колебания могут распространяться в пространстве в виде электромаг- |
||||||||||||||||||||||||||
нитных волн (рис. 4.4.6). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Видоизмененный |
открытый |
колебательный |
контур |
применил |
Г.Герц |
|||||||||||||||||||||
(1888 г.) |
|
и впервые экспериментально обнаружил существование электромаг- |
||||||||||||||||||||||||
нитных волн. Вибратор Герца состоял из двух стержней, разделенных искро- |
||||||||||||||||||||||||||
вым промежутком (рис. 4.4.7). |
При подаче высокого напряжения от индукци- |
|||||||||||||||||||||||||
онной катушки в промежутке проскакивала искра. Она закорачивала промежу- |