Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Методика решений контрольных заданий по физике для студентов-заочников. Ч.2. Учебно-методическое пособие.pdf
Тема 3.2. Постоянный электрический ток
3.2.1. Условия существования электрического тока. Проводники
и изоляторы. Законы Ома и Джоуля-Ленца в локальной форме. Сторонние силы ЭДС. Источники ЭДС. Закон Ома для замкнутой цепи и
участка цепи, содержащего источник ЭДС. Закон сохранения энергии
для замкнутой цепи. Правило Кирхгофа.
3.2.2. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.
Процессы ионизации и рекомбинации. Электрический ток в расплавах и растворах. Понятие о плазме. Дебаевская длина.
Тема 3.3. Магнитные поле
3.3.1. Магнитная индукция. Виток с током в магнитном поле.
Момент сил, действующих на виток с током во внешнем магнитном
поле. Магнитный момент. Сила Ампера. Закон Био-Савара. Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле кругового тока.
3.3.2. Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора
магнитной индукции. Магнитное поле длинного соленоида. Коэффициенты индуктивности и взаимной индуктивности. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Сила Лоренца.
3.3.3. Электромагнитная индукция. Правило Ленца. Явление самоиндукции при замыкании и размыкании электрической цепи. Магнитная энергия тока. Плотность энергии магнитного поля.
3.3.4. Магнитное поле в веществе. Длинный соленоид с магнетиком. Намагничивание вещества. Молекулярные токи. Намагниченность. Напряжённость магнитного поля. Магнитная проницаемость.
3.3.5. Основные уравнения магнитостатики в веществе. Граничные условия на поверхности раздела двух магнетиков. Плотность
энергии магнитного поля в веществе. Магнитные цепи.
Тема 3.4. Электромагнитное поле
3.4.1. Фарадеевская и максвелловская трактовки явления электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме.
11
Тема 3.5. Электромагнитные колебания и волны
3.5.1. Колебательный контур. Собственные электромагнитные
колебания. Затухающие и вынужденные электромагнитные колебания. Случай резонанса.
3.5.2. Электромагнитные волны. Волновое уравнение. Скорость
распространения электромагнитных волн. Закон сохранения энергии
для электромагнитного поля. Плотность энергии электромагнитного
поля. Плотность потока энергии электромагнитного поля.
4. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Тема 4.1. Геометрическая оптика
4.1.1. Законы геометрической оптики. Оптическая плотность среды. Тонкие линзы.
Тема 4.2. Интерференция волн
4.2.1. Принцип суперпозиции для волн. Интерференция плоских
монохроматических световых волн. Время и длина когерентности.
Пространственная когерентность. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Интерференция в тонких пленках. Интерферометры. Понятие об интерферометрии.
Тема 4.3. Дифракция света
4.3.1. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Число
Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на круглом отверстии,
прямой щели и на множестве параллельных щелей. Дифракционная
решетка. Спектральное разложение. Разрешающая способность спектральных приборов.
Тема 4.4. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом
4.4.1. Модель среды с дисперсией. Показатель преломления.
Нормальная и аномальная дисперсии. Групповая скорость. Поглощение волн. Поведение волн на границе раздела двух сред. Понятие о
волноводах.
12
4.4.2. Поляризация. Анизотропные среды. Элементы кристаллооп-
тики. Электрооптические и магнитооптические явления. Элементы нелинейной оптики: самофокусировка света, генерация гармоник, параметрические процессы, вынужденное рассеяние. Обращение волнового
фронта. Получение сверхкоротких световых импульсов. Голография.
5. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Тема 5.1. Тепловое излучение
5.1.1. Тепловое излучение абсолютно черного тела. Противоречия
классической физики. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана.
Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон
смещения Вина. Квантовая гипотеза и формула Планка.
Тема 5.2. Фотоны
5.2.1. Энергия и импульс световых квантов. Внешний фотоэф-
фект и его законы. Формула Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта. Квантовое и волновое объяснение давления света. Эффект
Комптона. Масса и импульс фотона.
Тема 5.3. Корпускулярно-волновой дуализм
5.3.1. Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов и нейтронов.
Микрочастица в однощелевом интерферометре. Соотношение неопределенностей как проявление корпускулярно-волнового дуализма
свойств материи. Наборы одновременно измеримых величин. Волновая функция и её статистический смысл. Принцип причинности в
квантовой механике.
Тема 5.4. Уравнение Шредингера
5.4.1. Временное уравнение Шредингера. Стационарное уравне-
ние Шредингера. Стационарные состояния. Частица в одномерной и
трехмерной потенциальных ямах. Квантование энергии и импульса
частицы. Прохождение частицы над и под потенциальным барьером.
Туннельный эффект. Гармонический осциллятор.
13
Тема 5.5. Атом
5.5.1. Частица в сферически симметричном поле. Водо-
родоподобные атомы. Главное, орбитальное и магнитное квантовые
числа. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Спектры водородоподобных атомов. Пространственное распределение плотности вероятности для электрона в атоме водорода.
Тема 5.6. Молекула
5.6.1. Молекула водорода. Физическая природа химической связи.
Ионная и ковалентная связи. Электронные, колебательные и вращательные состояния многоатомных молекул. Молекулярные спектры.
Тема 5.7. Атомное ядро
5.7.1. Строение атомных ядер. Феноменологические модели ядра:
газовая, капельная, оболочечная. Ядерные реакции. Порог реакции.
Механизмы ядерных реакций. Радиоактивные превращения атомных
ядер. Реакция ядерного деления. Цепная реакция деления. Ядерный и
термоядерный реакторы. Термоядерный синтез.
6. СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Тема 6.1. Вещество в различных условиях
6.1.1. Реальные газы. Потенциал межмолекулярного взаимодействия. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний.
Эффект Джоуля-Томсона. Дросселирование газов.
6.1.2. Жидкое состояние. Жидкости. Поверхностное натяжение.
Условие равновесия на границе жидкостей. Капиллярные явления.
Структура жидкости. Жидкие кристаллы.
6.1.3. Жидкие растворы. Растворы. Законы Рауля и Генри. Осмотическое давление. Диаграмма состояния раствора.
6.1.4. Аэродисперсные системы и коллоиды. Пыли, дымы, туманы. Давление насыщенных и пересыщенных паров. Коагуляция. Коллоидные растворы. Суспензии.
14
Тема 6.2. Фазовые равновесия и фазовые превращения
6.2.1. Фазы и фазовые превращения. Условия равновесия фаз. Фа-
зовые диаграммы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Критическая
точка. Метастабильные состояния. Фазовые переходы второго рода.
7. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
7.1.1. Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомное ядро. Кварки. Элементарные частицы.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2
Предлагаемые задачи охватывают следующие темы.
1. Электростатика. Электродинамика. Электромагнетизм
1.1. 001 – 010 – Электростатика
1.2. 011 – 020 – Электродинамик
1.3. 021 – 030 – Электромагнетизм
2. Геометрическая и волновая оптика
2.1. 031 – 040 – Геометрическая оптика
2.2. 041 – 050 – Интерференция света
2.3. 051 – 060 – Дифракция света
2.4. 061 – 070 – Фотометрия
2.5. 071 – 080 – Поляризация света
3. Квантовая физика
3.1. 081 – 090 – Тепловое излучение
3.2. 091 – 100 – Фотоны. Внешний фотоэффект
3.3. 101 – 110 – Давление света. Эффект Комптона
3.4. 111 – 120 – Волны де Бройля
3.5. 121 – 130 – Атом Бора. Спектральные закономерности
15
Таблица вариантов к контрольной работе № 2
Вариант
0 001 011 021 031 041 051 061 071 081 091 101 111 121
1 002 012 022 032 042 052 062 072 082 092 102 112 122
2 003 013 023 033 043 053 063 073 083 093 103 113 123
3 004 014 024 034 044 054 064 074 084 094 104 114 124
4 005 015 025 035 045 055 065 075 085 095 105 115 125
5 006 016 026 036 046 056 066 076 086 096 106 116 126
6 007 017 027 037 047 057 067 077 087 097 107 117 127
7 008 018 028 038 048 058 068 078 088 098 108 118 128
8 009 019 029 039 049 059 069 079 089 099 109 119 129
9
10
11
12
12
13
14
15
16
17
18
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII
010
003
004
005
006
007
008
009
010
001
002
020
019
018
017
016
011
012
013
014
020
019
030
030
029
028
027
026
025
024
023
022
021
040
036
037
038
039
040
035
034
033
031
032
050
041
042
043
044
045
046
047
048
049
050
060
053
052
051
060
059
058
057
056
055
054
070
064
063
062
061
070
069
068
067
066
065
080
075
074
073
072
071
080
079
078
077
076
090
086
085
084
083
082
081
090
089
088
087
100
097
096
095
094
093
092
091
100
099
098
110
108
107
106
105
104
103
102
101
110
109
120
119
118
117
116
115
114
113
112
111
120
130
130
129
128
127
126
125
124
123
122
121
Студент-заочник должен решить задачи того варианта, номер ко-
торого совпадает с суммой двух последних цифр его шифра.
16
1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.
0
×
1094
м
м
н
×××
p
r
F
r
E
r
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
1.1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
· Закон Кулона
qq
21
F
=
4
,
2
r
epe
где F – модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов величиной q1 и q2; r – расстояние между зарядами;
ницаемость среды;
e
– электрическая постоянная.
0
=
e
0
1
2
Кл
9
2
e
– диэлектрическая про-
Ф
12
-
×=
.1085,8
· Напряженность электрического поля
F
,
q
0
где
r
E
=
– сила, действующая на точечный заряд q0, помещенный в дан-
ную точку поля.
· Напряженность поля точечного заряда (по модулю):
E
=
kq
×
=
2
r
q
,
4
peee
2
r
0
где r – расстояние от заряда q до точки, в которой определяется напряженность.
· Напряженность поля, создаваемого системой точечных за-
рядов (принцип суперпозиции электрических полей)
где
=
– напряженность в данной точке поля, создаваемого i-тым за-
,
рядом.
17
· Модуль напряженности поля, создаваемого бесконечной
s
ds
s
t
dl
E
r
E
r
n
r
a××
=
равномерно заряженной плоскостью
2ee
,
0
где
=E
dq
=s
– поверхностная плотность заряда.
· Модуль напряженности поля плоского конденсатора в
средней его части
ee
.
0
=E
Формула справедлива, если расстояние между пластинами много
меньше линейных размеров пластин конденсатора.
· Напряженность поля, создаваемого бесконечно длинной
равномерно заряженной нитью (или цилиндром) на расстоянии r
от нити или оси цилиндра по модулю:
E
dq
=t
где
– линейная плотность заряда.
· Поток вектора напряженности
=
2pee
,
r
0
электрического поля:
а) через произвольную поверхность, помещенную в неоднород-
ное поле
dSEdSEN cos
×=×a×=
,
и нормалью
к эле-
где
ò ò
S S
a
– угол между вектором напряженности
nE
менту поверхности; dS – площадь элемента поверхности; En – проекция вектора напряженности на нормаль;
б) через плоскую поверхность, помещенную в однородное элек-
трическое поле:
E
cosSEN
18
,
в) через замкнутую поверхность:
0
dSEN
×=
nE
ò
S
,
где интегрирование ведется по всей поверхности.
Теорема Гаусса. Поток вектора напряженности через любую
замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме зарядов q1, q2,
..., qn, охватываемых этой поверхностью, деленной на
1
=
n
å
=
i
.
qN
iE
1
×
e×e
0
e × e
.
0
· Потенциал электрического поля
W
j
=
,
q
0
где qо – точечный положительный заряд, помещенный в данную точ-
ку поля; W – потенциальная энергия заряда q0 в данной точке поля.
· Потенциальная энергия системы двух точечных зарядов
Q и q:
W =
qQ
4pee
,
r
где r – расстояние между зарядами. Потенциальная энергия положительна при взаимодействии одноименных зарядов и отрицательна при
взаимодействии разноименных.
· Потенциал электрического поля, созданного точечным за-
рядом Q на расстоянии r:
=
4
Q
pee
r
0
j
· Потенциал электрического поля, созданного металличе-
ской сферой радиуса R, несущей заряд Q:
j
=
Q
4pee
(r ≤ R; поле внутри и на поверхности сферы);
R
0
j
=
Q
4pee
(r > R; поле вне сферы).
r
0
19
· Потенциал электрического поля, созданный системой n
E
r
E
r
d
j
j
-
dr
drdj
точечных зарядов.
Согласно принципу суперпозиции электрических полей потенци-
ал электрического поля, созданный системой n точечных зарядов, равен алгебраической сумме потенциалов
j
j
,
, …,
1
2
j
, создаваемых за-
n
рядами q1, q2, ..., qn в данной точке поля:
n
j
=
å
ii1
.
j
=
· Связь потенциалов с напряженностью:
а) в общем случае
= - qradj или
=
æ
ç
-
i
ç
¶
è
rr
j¶
+
j
x
¶
r
ö
j¶
y
j¶
;
+
÷
k
÷
¶
z
ø
б) в случае однородного поля
)(
21
Е =
,
где d – расстояние между эквипотенциальными поверхностями с потенциалами
j
1
и
j
вдоль силовой линии;
2
в) в случае поля, обладающего центральной или осевой симмет-
рией,
d
,
где производная
Ej-=
берется вдоль силовой линии.
· Работа, совершаемая силами поля по перемещению заряда
q из точки 1 в точку 2,
где (
j
A = q(
j
–
1
) – разность потенциалов начальной и конечной точек поля.
2
j
–
j
1
),
2
· Электроемкость уединенного проводника
,
=qc
j
где q – заряд на поверхности проводника; j – потенциал проводника.
20