Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Оптика, специальная теория относительности, квантовая и ядерная физика. Учебное пособие
.pdf
С.А. Донских, В.Н. Сёмин
ФИЗИКА. ОПТИКА, СПЕЦИАЛЬНАЯ
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ,
КВАНТОВАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Учебное пособие
Москва
Ай Пи Ар Медиа
2024
УДК 53
ББК 22.3
Д67
Авторы:
Донских С.А. — канд. техн. наук, доц., декан факультета физики,
математики, информатики Таганрогского института имени А.П. Чехова
(филиала) РГЭУ (РИНХ);
Сёмин В.Н. — канд. техн. наук, доц., доц. кафедры теоретической,
общей физики и технологии Таганрогского института имени А.П. Чехова
(филиала) РГЭУ (РИНХ)
Рецензенты:
Дзюба Т.В. — зам. директора по УВР, учитель физики муниципального
автономного общеобразовательного учреждения «Лицей № 28» г. Таганрога;
Коноваленко С.П. — канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой теоретической,
общей физики и технологии Таганрогского института имени А.П. Чехова
(филиала) РГЭУ (РИНХ)
Донских, Сергей Александрович.
Д67 Физика. Оптика, специальная теория относительности, квантовая и
ядерная физика : учебное пособие / С.А. Донских, В.Н. Сёмин ; под общей
редакцией С.А. Донских. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2024. — 121 с. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-4497-2872-2
В учебном пособии изложены основы оптики, специальной теории
относительности, квантовой и ядерной физики. Изложение учебного материала адаптировано для преподавания указанных разделов физики для широкого круга профилей подготовки.
Подготовлено в соответствии с требованиями Федерального государ-
ственного образовательного стандарта высшего образования.
Учебное пособие предназначено для студентов всех направлений под-
готовки и специальностей высшего образования, учебными планами которых предусмотрено изучение физики.
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-2872-2 © Донских С.А., Сёмин В.Н., 2024
© ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2024
Учебное издание
Донских Сергей Александрович
Сёмин Владимир Николаевич
Редактор А.А. Балакирева
Технический редактор, компьютерная верстка Г.И. Иванова
Корректор Ю.С. Королева
Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова, фотобанк Freepik
Подписано к использованию 18.04.2024. Объем данных 7 Мб.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sale@iprmedia.ru
4
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................ 7
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 8
1. ПРИРОДА СВЕТА .............................................................................................. 10
1.1. Понятие света и его роль в жизни человека ................................................. 10
1.2. Волновая и корпускулярная модели света ................................................... 11
1.3. Следствия модели Максвелла ........................................................................ 12
1.4. Цуг волн ........................................................................................................... 14
1.5. Световой луч.................................................................................................... 15
2. ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ .................................................. 17
2.1. Законы отражения и преломления света ...................................................... 17
2.2. Явление полного внутреннего отражения света .......................................... 19
2.3. Построение изображения в плоском зеркале ............................................... 20
2.4. Построение изображения в сферическом зеркале ....................................... 21
2.5. Принцип Ферма ............................................................................................... 24
3. ТОНКАЯ ЛИНЗА ................................................................................................ 26
3.1. Ход светового луча в трехгранной призме................................................... 26
3.2. Виды линз ........................................................................................................ 27
3.3. Главный и побочный фокус линзы ............................................................... 28
3.4. Построение изображения в линзе ................................................................. 31
3.5. Системы линз .................................................................................................. 33
4. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ .............................................................................. 35
4.1. Глаз — природный оптический прибор ....................................................... 35
4.2. Лупа .................................................................................................................. 38
4.3. Микроскоп ....................................................................................................... 39
4.4. Телескоп ........................................................................................................... 40
4.5. Разрешающая способность оптических приборов ...................................... 42
5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ .................................. 46
5.1. Скорость света и принцип относительности Галилея ................................. 46
5.2. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца ...................................... 48
5.3. Следствия СТО ................................................................................................ 52
5
5.4. Импульс и энергия в релятивистской механике .......................................... 56
5.5. Элементы релятивистской динамики ........................................................... 61
6. ФОТОЭФФЕКТ ................................................................................................... 64
6.1. Явление фотоэффекта ..................................................................................... 64
6.2. Опыты Столетова ............................................................................................ 64
6.3. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта ..................................................... 67
6.4. Применение фотоэффекта .............................................................................. 68
6.5. Фотолюминесценция ...................................................................................... 70
7. ФОТОНЫ .............................................................................................................. 72
7.1. Тепловое излучение. Формула Планка ......................................................... 72
7.2. Гипотеза Планка. Фотон ................................................................................ 74
7.3. Давление света. Опыты Лебедева ................................................................. 74
7.4. Эффект Комптона ........................................................................................... 76
8. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ .............................................................. 79
8.1. Корпускулярно-волновой дуализм ............................................................... 79
8.2. Гипотеза де Бройля ......................................................................................... 80
8.3. Соотношение неопределённостей Гейзенберга ........................................... 82
9. ОСНОВЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ .................................................................... 84
9.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель строения атома ................................... 84
9.2. Постулаты Бора. Модель атома водорода .................................................... 86
9.3. Спонтанное и вынужденное излучение света .............................................. 88
10. АТОМНОЕ ЯДРО ............................................................................................. 91
10.1. Масса ядра. Изотопы .................................................................................... 91
10.2. Состав ядра атома ......................................................................................... 92
10.3. Дефект массы. Энергия связи ...................................................................... 93
10.4. Модели ядра .................................................................................................. 95
11. РАДИОАКТИВНОСТЬ .................................................................................... 97
11.1. Радиоактивный распад ................................................................................. 97
11.2. Ядерные реакции ........................................................................................... 99
11.3. Регистрация излучения ............................................................................... 103
6
12. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ................................................................... 106
12.1. Классификация элементарных частиц ...................................................... 106
12.2. Частицы и античастицы ............................................................................. 108
12.3. Теория большого взрыва. Связь микро- и макромира ............................ 110
12.4. Классификация элементарных частиц ...................................................... 112
12.5. Кварки .......................................................................................................... 114
12.6. Суперобъединение ...................................................................................... 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 120
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 121
7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Физика обладает большим потенциалом для развития теоретического мыш-
ления студентов. Данное учебное пособие предназначено для самостоятельной
дополнительной работы при изучении курса общей физики. Особенность пособия заключается в более четком выделении роли и значимости теоретического
метода познания в обучении. Если студент понимает суть физической модели,
представляет границы ее применимости, то неизбежно начинается процесс ее
применения к познанию окружающего мира, решению задач. С построения модели начинается научное познание, развитие теоретического мышления закладывает основы для успешной самореализации студентов.
Учебное пособие ориентировано на тех студентов, которые испытывают
трудности при изучении курса общей физики по стандартным учебникам, которые традиционно ориентированы на лиц с высоким уровнем школьной подготовки, прошедших жесткий конкурсный отбор. В настоящее время во многих
ссузах и вузах имеются профили подготовки, в учебных планах которых физике
отводится большое количество часов, а к усвоению материала предъявляются
высокие требования, однако вступительные экзамены по физике на эти профили подготовки не проводятся, при этом изучение физики начинается во втором
или третьем семестрах. Очевидно, что в этих условиях уровень остаточных школьных знаний по физике невысок. Цель данного учебного пособия и состоит в том,
чтобы повысить его и успешно усвоить курс.
Каждый параграф завершают выводы, в которых отражена суть изучае-
мого вопроса.
8
ВВЕДЕНИЕ
Основу физики составляет фундаментальное исследование наиболее об-
щих закономерностей природы, строения и законов движения материи. Ее понятия и законы составляют основу естествознания, отсюда неразрывная связь
физики с другими науками, и в первую очередь с математикой. Область интересов физики чрезвычайно широка и простирается от объектов микромира до
космологических объектов. Так, один из наиболее интересных моментов современной физики состоит в том, что физика элементарных частиц оказывается
глубинно связанной с физикой космических объектов, имеющих гигантские
размеры. Космология позволяет получать информацию о частицах и процессах,
которые недоступны современным экспериментальным методам физики элементарных частиц на Земле. С другой стороны, достижения физики элементарных частиц позволяют решить целый ряд космологических проблем. Развитие
физики неразрывно связано с научно-техническим развитием общества. Любые
современные наукоёмкие технологии разработаны на основе физических законов.
Так, решение проблемы термоядерного синтеза позволит получить неисчерпаемый источник энергии, и сейчас даже трудно предсказать, как это повлияет на
развитие человеческого общества, подобно тому, как открытие и применение
ядерной энергии определило картину сегодняшнего мира. С другой стороны, природа окружающего нас мира, виды и структура материи далеко не исследованы
и поняты, например, природа тёмной материи остается загадкой.
В данном пособии рассматриваются такие разделы, как оптика, СТО, кван-
товая и ядерная физика. Каждый из этих разделов — самостоятельная физическая модель со своими терминами, постулатами, методами. Знание физики в конечном итоге сводится к пониманию этих моделей и умению в их рамках решать
конкретные задачи.
Данное учебное пособие предназначено для содействия в приобретении
соответствующих знаний, умений и навыков.
В результате изучения означенных разделов физики обучающиеся долж-
ны приобрести следующие знания, умения и навыки, необходимые в их последующем обучении и профессиональной деятельности:
1) знания:
– основные физические явления и законы;
– границы их применимости;
– применение законов в важнейших практических приложениях;
9
– основные физические величины и константы, их определения, смысл, ме-
тоды и единицы измерения;
– фундаментальные физические эксперименты и их роль в развитии науки;
– назначение и принципы действия важнейших физических приборов;
2) умения:
– объяснить наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты
с позиций фундаментальных физических взаимодействий;
– указать законы, описывающие данные явление или эффект;
– истолковывать смысл физических величин и понятий;
– записывать уравнения с участием физических величин в СИ;
– работать с приборами и оборудованием лаборатории физики;
– использовать различные методики физических измерений и обработки
экспериментальных данных;
– использовать методы физического и математического моделирования;
– применять методы физико-математического анализа к решению конкрет-
ных естественнонаучных и технических проблем;
3) навыки:
– использования физических законов и принципов в практических случаях;
– применения методов физико-математического анализа для решения есте-
ственнонаучных задач;
– правильной эксплуатации приборов и оборудования лаборатории физики;
– обработки и интерпретации результатов эксперимента;
– использования методов физического моделирования в производственной
деятельности.
10
1. ПРИРОДА СВЕТА
1.1. Понятие света и его роль в жизни человека
Вселенная наполнена электромагнитными волнами космического проис-
хождения, однако атмосфера Земли максимально прозрачна для очень узкого
интервала всех возможных волн в природе. Это волны с длинной волны
400–760 нм. На эту же область приходится около 40 % всей излучаемой Солнцем электромагнитной энергии. Их и принято называть светом. Живые организмы, от простейших до человека, способны непосредственно воспринимать
свет (рис. 1).
Рис. 1. Чувствительность глаза человека (в условных единицах)
к восприятию светового излучения в зависимости от длины волны
У головоногих моллюсков, насекомых и позвоночных орган чувств, вос-
принимающий свет, — глаз — способен формировать изображение окружающих предметов и тем самым позволяет ориентироваться в пространстве. Весь
кислород, которым дышит человек, выделен растениями в процессе фотосинтеза. Уголь, нефть, газ — результат преобразованной миллионы лет назад световой энергии. Температура на поверхности нашей планеты поддерживается благодаря солнечной энергии, передаваемой посредством световых волн.
Вывод: приведенные примеры далеко не исчерпывают значимости света
для человека. Свет является необходимым условием существования жизни на
Земле в той форме, в которой она имеет место сейчас.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]