Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Задачи и примеры решения. Учебное пособие [для обучающихся заочной формы обучения технических направлений подготовки и специальностей]
.pdf
Тема 5.3 Вынужденные колебания
Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс. Акустический и параметрический резонансы.
Тема 5.4 Нелинейные колебания
Нелинейный осциллятор. Ангармоничность. Преобразование и
детектирование электрических колебаний. Автоколебания. Обратная
связь. Фазовая плоскость генератора, гармонические циклы. Понятие о
релаксационных колебаниях.
Тема 5.5 Волновые процессы
Механизм образования волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Уравнение плоской волны. Фазовая скорость, длина волны, волновое число. Волновое уравнение. Скорость распространения
волн. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью. Волновой пакет. Энергия волны. Вектор Умова.
Тема 5.6 Излучение волн
Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Монохроматическая волна. Излучение диполя. Поляризация волн. Энергия
электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга. Шкала электромагнитных
волн. Скорость распространения электромагнитных волн.
Тема 5.7 Интерференция и дифракция волн
Принцип суперпозиции волн. Когерентность. Интерференция
волн. Уравнение стоячей волны и его анализ. Принцип Гюйгенса. Понятие о дифракции волн.
6 ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Тема 6.1 интерференция света
Когерентность и монохроматичность световых волн. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников света. Интерференция в тонких пленках. Практическое применение явления интерференции света: «просветление» оптики, интерферометры Майкельсона, Линника, шахтный.
11
Тема 6.2 Дифракция света
Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция
Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на одной и многих щелях. Дифракционная решетка. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэгга. Понятие о голографии.
Тема 6.3 Распространение света в веществе
Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсия. Спектрометр. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта. Рассеяние света. Закон
Рэлея. Эффект Доплера. Излучение Черенкова-Вавилова. Поляризация
света. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Закон Малюса. Искусственная оптическая анизотропия. Эффект Керра. Вращение плоскости поляризации.
7 КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ
Тема 7.1 Тепловое излучение
Тепловое излучение. Закон Кирхгофа. Абсолютно черное тело.
Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина. Квантовая гипотеза и формула Планка.
Оптическая пирометрия.
Тема 7.2 Фотоэффект. Давление света. Эффект Комптона
Фотоэффект и его закономерности. Фотоны. Уравнение фотоэффекта. Масса и импульс фотона. Давление света. Опыты Лебедева.
Квантовое объяснение давления света. Эффект Комптона. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного
излучения.
8 ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ И КВАНТОВОЙ
МЕХАНИКИ
Тема 8.1 Корпускулярно-волновой дуализм
Гипотеза де Бройля. Экспериментальное обоснование корпускулярно-волнового дуализма свойств вещества. Опыты Дэвисона и Джермера. Дифракция нейтронов. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Предел применения классической механики.
12
Определение состояния микрочастицы: волновая функция и ее
статистическое содержание. Суперпозиция состояний в квантовой теории. Вероятность в квантовой теории.
Тема 8.2 Квантовое состояние. Уравнение Шредингера
Стационарное уравнение Шредингера. Стационарные состояния.
Частица в одномерной потенциальной яме. Квантование энергии и импульса частицы. Линейный гармонический осциллятор. Атом водорода
в квантовой механике. Квантовые числа: главное, орбитальное и магнитное. Спектры водородоподобных атомов. Туннельный эффект.
Тема 8.3 Распределение электронов в атомах по состояниям
Пространственное квантование. Опыт Штерна и Герлаха. Спин
электрона. Спиновое квантовое число. Принцип Паули. Распределение
электронов в атоме по состояниям. Периодическая система элементов
Д. И. Менделеева. Рентгеновские лучи. Закон Мозли. Рентгеновская дефектоскопия.
Тема 8.4 Молекулы
Молекула водорода. Обменное взаимодействие. Физическая природа химической связи. Ионная и ковалентная связь. Колебание и вращение двухатомной молекулы. Энергия молекулы. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света.
Тема 8.5 Элементы квантовой электроники
Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Основные
этапы развития квантовой электроники. Принцип работы квантового генератора. Метод трех уровней. Мазеры и лазеры. Применение квантовой электроники.
9 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Тема 9.1 Элементы теории кристаллической решетки
Строение кристаллов. Исследование кристаллических структур
методами рентгено-, электро-, нейтронографии. Точечные дефекты в
кристаллах: вакансии, примеси проникновения, примеси замещения.
Краевые и винтовые дислокации. Дислокации и пластичность.
Тема 9.2 Тепловые свойства твердых тел
Акустические и оптические колебания кристаллической решетки.
Экспериментальное исследование колебательного спектра: звук, погло-
13
щение инфракрасного излучения в ионных кристаллах, комбинационное
рассеяние, неупругое рассеяние нейтронов.
Понятие о фононах. Теплоемкость кристаллов при низких и высоких температурах. Теплопроводность кристаллов. Тепловое расширение
твердых тел.
Тема 9.3 Элементы квантовой статистики
Статистическое описание квантовой системы, разница между
квантово-механической и статистической вероятностями. Фермионы и
бозоны. Фотонный и фононный газы. Электронный газ в металлах. Распределение Ферми-Дирака и Бозе.
Тема 9.4 Элементы зонной теории твердых тел
Энергетические зоны в кристаллах. Образование зон в упрощенной модели кристалла-модель Кронига-Пенни. Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники. Дефекты кристаллов и возникновение в них локальных энергетических уровней. Экспериментальное изучение энергетической структуры кристаллов.
Тема 9.5 Металлы и полупроводники
Квантовая теория электропроводности металлов. Сверхпроводимость. Высокотемпературная сверхпроводимость. Полупроводники.
Собственная и примесная проводимость полупроводников. Температурная зависимость проводимости полупроводников. Терморезисторы.
Фотопроводимость. Фоторезисторы. Фосфоресценция.
Тема 9.6 Контактные явления
Явления, возникающие при контакте двух металлов, полупроводника с металлом. Контакт электронного и дырочного полупроводников
(p–n переход) и его вольт-амперная характеристика. Кристаллические
диоды и триоды, их характеристики.
Тема 9.7 Жидкие кристаллы
Типы жидкостных кристаллов: нематики, холестерики, смектики.
Примеры жидких кристаллов. Поведение их в электрическом и магнитном полях. Дисплеи на жидкостных кристаллах. Применение холестериков для измерения температуры и изготовления дифракционных решеток.
14
Тема 9.8 Вещество в экстремальных условиях
Вещество при сверхвысоких температурах и сверхвысоких плотностях. Уравнение состояния вещества при высоких плотностях.
Нейтронное состояние вещества. Пульсары. Вещество в сверхсильных
электромагнитных полях.
10 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ЧАСТИЦ
Тема 10.1 Свойства и строение ядер
Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое числа.
Спин и магнитный момент ядра. Состав ядра. Нуклоны и их характеристики. Энергия связи ядра. Дефект массы. Ядерные силы. Модели ядра.
Тема 10.2 Естественная радиоактивность
Радиоактивное излучение. Закон радиоактивного распада. Правила смещения. Радиоактивные ряды. Экспериментальные методы регистрации частиц: счетчики Гейгера и Черенкова, камера Вильсона, пузырьковая камера, метод фотоэмульсий. Закономерности α- и βраспадов. Гамма-лучи и нейтроны.
Тема 10.3 Искусственное преобразование ядер
Основные типы ядерных реакций. Искусственная радиоактивность, к-восторг. Реакция деления. Цепная реакция. Критический размер. Коэффициент размножения нейтронов. Ядерные реакторы и ядерная энергетика. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых
термоядерных реакций.
Тема 10.4 Современная физическая картина мира
Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества.
Атомное ядро. Кварки. Элементарные частицы, лептоны, адроны. Взаимное преобразование частиц. Сильное, электромагнитное, слабое и
гравитационное взаимодействия. Физическая картина мира как философская категория.
15
1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
)(tfx
dt
t
dt
t
)(t
f
dt
dt
1.1 Основные формулы
Кинематика поступательного и вращательного движения
Кинематическое уравнение движения материальной точки (центра
масс твердого тела) вдоль оси х
,
где f (t) — некоторая функция времени.
Проекция мгновенной скорости на ось х
dx
V
x
.
Проекция средней скорости на ось х
Проекция мгновенного ускорения на ось х
Проекция среднего ускорения на ось х
Кинематическое уравнение движения материальной точки по
окружности
Модуль угловой скорости
V
x
a
x
a
x
dV
V
.
x
.
x
.
.
d
x
.
Модуль углового ускорения
d
.
16
Связь между модулями линейных и угловых величин, характери-
,RV
,kxF
mg
P
r
fN
F
mV
p
ma
F
dt
зующих движение точки по окружности:
,Ra
n
,2Ra
где V — модуль линейной скорости;
аτ , аn — модули тангенциального и нормального ускорений.
Динамика поступательного движения
Силы, которые рассматриваются в механике:
а) сила упругости
где k — коэффициент упругости;
х — абсолютная деформация;
б) сила тяжести
;
в) сила гравитационного взаимодействия
mm
GF
21
,
2
где G — гравитационная постоянная;
m1,m2 — массы взаимодействующих тел;
r — расстояние между ними;
г) сила трения (скольжения)
где f — коэффициент трения,
N — сила нормального давления.
Импульс материальной точки массой m, которая движется со скоростью V, равен
Второй закон Ньютона (или основное уравнение динамики поступательного движения)
или
,
dp
F
,
17
где F — равнодействующая всех сил.
p const
m
2
2
2
r
mgh
П
const
ПТЕ
Закон сохранения импульса
n
i
1
i
или для двух тел (i = 2)
22112211
,
UmUmVmVm
где V1 и V2 — скорости тел в начальный момент времени;
U1 и U2 — скорости тех же тел в конечный момент времени.
Кинетическая энергия тела, движущегося поступательно,
22
T
pmV
.
Потенциальная энергия
а) упруго деформированной пружины
2
kx
П ,
где k — коэффициент упругости,
x — абсолютная деформация;
б) гравитационного взаимодействия
mm
21
GП
,
где G — гравитационная постоянная,
m1 и m2 — массы взаимодействующих тел,
r — расстояние между ними;
в) тела, находящегося в однородном поле силы тяжести Земли,
,
где g — ускорение свободного падения,
h — высота тела над уровнем, принятым за нулевой (формула
верна при условии, что h << R — радиуса Земли).
Закон сохранения механической энергии
.
18
Работа А, совершенная результирующей силой, определяется как
lFM
12
2
мера изменения кинетической энергии материальной точки
TTTA
.
12
Динамика вращательного движения
Момент силы, действующей на тело, относительно оси вращения:
,
где l — плечо силы F (кратчайшее расстояние от оси вращения до
направления действия силы).
Момент инерции некоторых тел массой m относительно оси Z,
проходящей через центр масс:
а) стержня длиной l относительно оси, перпендикулярной стержню,
1
2
;
mlI
б) обруча (тонкостенного цилиндра) относительно оси, перпендикулярной плоскости обруча (ось Z совпадает с осью цилиндра),
z
,
2
RmI
где R — радиус обруча (цилиндра);
в) диска радиусом R относительно оси, перпендикулярной плоскости диска
1
z
2
.
RmI
Теорема Штейнера — момент инерции тела относительно произвольной оси вращения:
2
amII
0
,
где I0 — момент инерции относительно оси, проходящей через
центр тяжести тела;
а — расстояние между осями;
т — масса тела.
19
Проекция на ось Z момента импульса тела Lz, которое вращается
z
d LMd t
,
L const
2
22z
z
L
T .
I
относительно неподвижной оси Z,
где
— угловая скорость тела.
z
Второй закон Ньютона (или основное уравнение динамики вращательного движения):
где Mz — результирующий момент внешних сил, действующих на
тело, относительно оси Z;
ε — угловое ускорение;
Iz — момент инерции относительно оси вращения;
Lz — момент импульса.
Закон сохранения момента импульса:
n
i
1
i
IL
IM
zz
или
или
n
i
,
zzz
1
,
z
iz
i
constI
,
где
— угловая скорость вращения системы тел вокруг оси Z.
i
Кинетическая энергия тела, которое вращается вокруг оси Z,
2
z
z
,
или
T
I
Релятивистская механика
Релятивистская масса
m
o
V
1
c
,
2
m
где mo — масса покоя;
V — скорость частицы;
с — скорость света, причем должно выполняться условие V ≈ c.
Релятивистский импульс
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]