Физика ч.3 РП

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКА

Часть III

Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальностей 140205, 140211, 140203, 140601, 140604, 220201,220301, 230101, 230105, 200106

Института дистанционного образования

Издание второе, дополненное

Томск 2006

УДК 53

Физика. Часть III: Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов спец. 140205, 140211, 140203, 140601, 140604, 220201, 220301, 230101, 230105, 200106 ИДО / Сост. А.В. Макиенко, Н.С. Кравченко. - 2-е изд., доп. - Томск: Изд. ТПУ, 2006. - 26 с.

Рабочая программа, методические указания и контрольные задания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семина-

Аннотация

Рабочая программа, методические указания и контрольные задания по дисциплине «Физика. Часть III» предназначены для студентов специальностей 140205, 140211, 140203, 140601, 140604, 220201, 220301, 230101, 230105,200106 ИДО. Данная дисциплина изучается один семестр.

Приведен перечень основных тем дисциплины, указаны перечень лабораторных работ и темы практических занятий. Приведены варианты заданий для контрольной работа. Даны методические указания по выполнению контрольной работы.

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Физика - наука о природе: о строении, свойствах и взаимодействии составляющих ее материальных тел и полей.

Курс физики как учебная дисциплина составляет основу теоретической подготовки инженеров, которая позволяет им ориентироваться в потоке научной и технической информации, а также обеспечивает возможность использования физических принципов в технике.

Основные задачи курса:

•Формирование научного мировоззрения;

•Усвоение основных физических законов классической и современной физики;

•Освоение методов и приемов решения конкретных задач из разных областей физики;

•Умение оценивать достоверность результатов, полученных экспериментально.

2.СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ДИСЦИПЛИНЫ

2.1.Элементы волновой оптики

2.1.1.Интерференция света

Когерентность и монохроматичность световых волн. Оптическая разность хода. Условия максимума и минимума интенсивности. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Интерференция в тонких пленках. Интерферометры.

2.1.2. Дифракция света

Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Фраунгофера от одной щели и на решетке. Угловая и линейная дисперсии. Разрешающая способность дифракционной решетки. Понятие о голографии.

2.1.3. Поляризация света

Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.

2.2.Квантовая теория излучения

2.2.1.Тепловое излучение

Абсолютно черное тело. Квантовая гипотеза Планка. Законы излучения абсолютно черного тела. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Формула Планка.

2.2.2. Фотоны

Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Эффект Комптона и его объяснение.

3

2.23. Корпускулярно-волновой дуализм

Единство волновых и корпускулярных свойств электромагнитного излучения. Опытное обоснование корпускулярно волнового дуализма свойств частиц. Формула де Бройля. Дифракция микрочастиц. Соотношение неопределенностей для координат и импульса, энергии и времени.

2.3.Элементы атомной и квантовой физики

2.3.1.Водороднонодобные атомы

Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Спектры водородоподобных атомов. Формула Бачьмера-Бора. Пространственное распределение электрона в атоме водорода. Ширина уровней. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Квантование момента импульса и энергии частиц. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа.

23.2. Многоэлектронные атомы

Структура электронных уровней в сложных атомах. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Принцип Паули. Периодическая система элементов Менделеева.

2 3 3 . Элементы физики твердого тела

Элементы зонной теории твердых тел. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории. Уровень Ферми. Собственная и примесная проводимости полупроводников.

2.4. Элементы физики атомного ядра

Строение атомных ядер. Свойства и природа ядерных сил. Дефект массы и энергия связи ядра. Радиоактивные превращения атомных ядер. Реакция ядерного деления. Ядерный реактор. Термоядерные реакции. Управляемый термоядерный синтез.

3.СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

3.1.Тематика практических занятий

1.Волновые и квантовые свойства излучения - 2 часа.

2.Атом водорода по Бору и Шредингеру - 2 часа.

3.2.Перечень лабораторных работ

0-01. Определение главных фокусных расстояний выпуклой и вогнугой

линз.

0-02. Измерение показателя преломления стекла при помощи микроскопа.

О-ОЗ. Определение показателя преломления жидкости при помощи рефрактометра.

0-04. Определение зависимости показателя преломления призмы от длины световой волны.

4

Примечание: Название лабораторных работ, их число и последовательность выполнения определяются маршрутом и календарным планом.

4.КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

4.1.Общие методические указания

При самостоятельном изучении теоретического материала студенты должны выполнить четыре контрольных работы (И семестр - контрольная работа № 1, III семестр - контрольная работа № 2, № 3, IV семестр - контрольная работа № 4).

Решение задач контрольных работ является проверкой степени усвоения студентами теоретического материала. Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе. При самостоятельной работе над учебным материалом необходимо составлять конспект, в котором записываются определения, законы, формулы, основные физические понятия, теоретические выводы. Для систематизации такой работы и ее облегчения предлагаются рабочие тетради по основным разделам физики: «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электростатика и постоянный ток», «Электромагнетизм, колебания и волны».

Прежде чем приступать к решению той или иной задачи, необходимо хорошо понять ее содержание и поставленные вопросы.

При выполнении контрольных работ следует придерживаться следующих правил:

1.Вариант контрольного задания определяется в соответствии с последней цифрой шифра.

2.На титульном листе нужно указать номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес.

5

3.Контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента.

4.Решения задач необходимо сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями; если необходимо, сделать чертеж (аккуратно).

5.В пояснениях к задаче необходимо указывать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи.

6.Решать задачу рекомендуется сначала в общем виде, то есть в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи.

7.Вычисления следует проводить с помощью подстановки числовых значений величин, выраженных в системе СИ.

8.В конце контрольной работы следует указать учебники и учебные пособия, используемые при решении задач.

Контрольные работы, оформленные без соблюдения указанных правил, а также работы, выполненные не по своему варианту, не зачитываются.

4.1. Варианты контрольной работы № 4

Вариант 1

Задача 1. В опыте с зеркалами Френеля расстояние между двумя мнимыми изображениями источника монохроматического света составляло 0,7 мм. Расстояние от этих мнимых изображений до экрана принять равным 2,26 м. Расстояние между двумя светлыми интерференционными полосами на экране-1,9 мм. Найти длину волны источника света.

Ответ: 588 нм.

Задача 2. На дифракционную решетку, имеющую 50 штрихов на 1 мм, падает нормально параллельный пучок белого света. Чему равна разность углов отклонения конца первого и начала второго спектра? Длины крайних красных и крайних фиолетовых волн принять равными 760 нм и 400 нм.

Ответ: Т.

Задача У Естественный свет проходит через две призмы Николя, одна из которых служит поляризатором, а другая анализатором. Угол между плоскостями и главных степеней равен а. Как поляризатор, так и анализатор поглощают и отражают 8 % интенсивности естественного света, падающего на поляризатор. Чему равен угол а?

Ответ: 61°18'.

Задача 4. На какую длину волны приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, имеющего температуру 37°С?

Ответ: 9300 нм.

6

Задача 5. Какой наименьшей скоростью теплового движения должны обладать свободные электроны в платине для того, чтобы они могли покинуть металл? Работа выхода электрона из платины равна 5,3 эВ.

Ответ: 1,4-106 — .

с

Задача 6. Квант с первоначальной длиной волны 0,011 нм рассеялся под углом 110°, а комптоновский электрон отдачи отлетел под углом 30°. Считая массу покоя электрона и скорость света известными, найти значение постоянной Планка.

Ответ: А = 6,62-Ю- 3 4 Дж с.

Задача 7. Определить дебройлевскую длину волны протона, кинетическая энергия которого равна энергии покоя электрона.

стояние испустил последовательно два кванта с длинами волн 1281,8 нм и 102,57 нм. Определить энергию первоначального состояния данного атома и соответствующее ему главное квантовое число.

Ответ: -0,544 эВ; 5.

Задача 9. Как изменится активность препарата кобальта в течение двух лет? Период полураспада кобальта равен 5,2 года.

Ответ: уменьшится в 19,5 раза.

Задача 10. Определить энергию, освобождающуюся при ядерной реакции \Нл\Н-^\Не+о«-

Ответ: 2,98 МэВ.

Вариант 2

Задача 1. Определить расстояние между двадцать первым и двадцатым светлыми кольцами Ньютона, если расстояние между третьим и вторым светлыми кольцами равно 1 мм. Наблюдение ведется в отраженном свете.

Ответ: 0,032 мм.

Задача 2. Определить радиус р m-ой зоны Френеля, если известны радиус R фронта сферической волны, длина \ волны источника света и расстояние г0 от фронта волны до исследуемой точки.

Ответ: р =

8

Задача 3. Естественный луч падает под углом полной поляризации на стеклянную пластинку, помещенную в жидкость. Отраженный от пластины луч составляет угол 97° с падающим лучом. Что это за жидкость?

Ответ: вода.

Задача 4. Определить температуру печи, если известно, что из отверстия в ней в одну секунду излучается 4,83 Дж. Площадь отверстия равна 6,1 см2, излучение считать близким к излучению абсолютно черного тела.

Ответ: 1000 К.

Задача 5. При какой температуре энергия фотона видимого света с длиной волны 600 нм равна средней тепловой энергии молекул идеального одноатомного газа?

Ответ: 1,6-104Л:.

Задача 6. Энергия комптоновского электрона отдачи равна АЕ. Определить длину волны X" рассеянного излучения, если длина волны падающего излучения равна X.

Ответ: Х' = — ^ ^ — . he-ХАЕ

Задача 7. Определить длину волны де Бройля для электрона и атома урана, если известно, что кинетическая энергия каждой частицы равна 100 эВ.

Ответ: 0,12 нм; 1,86 104 нм.

Задача 8. Определить численные значения кинетической и потенциальной энергии электрона на первой и второй орбитах атома водорода.

Ответ: 13,6 эВ; 3,4 эВ; -27,2 эВ; -6,8 эВ.

Задача 9. Определить ширину одномерного потенциального ящика с бесконечно высокими стенками, если электрон, находится в ящике на самом нижнем энергетическом уровне и имеет энергию 0,1 эВ.

Ответ: 1,9 нм.

Задача 10. Вследствие радиоактивного распада ^ '-,г превращается в

g 2 P b . Сколько а-превращений и (3-превращений он при этом испытывает? Ответ: 8; 6.

8

Вариант 3

Задача L. В установке для получения колец Ньютона две плосковыпуклые линзы прижаты друг к другу своими выпуклыми поверхностями. Радиусы кривизны выпуклых поверхностей линз равны Rj и R2. Определить радиус rk k-oro темного кольца, если длина падающей световой волны равна X. Наблюдение ведется в отраженном свете.

Задача 2. Найти длину волны спектральной линии, изображение которой, даваемое дифракционной решеткой в спектре третьего порядка, совпадает с изображением линии с длиной волны 486,1 нм в спектре четвертого порядка.

Ответ: 648,1 нм.

Задача 3. При отражении света от кристалла угол полной поляризации оказался равным 57°. Найти скорость распространения света в этом кристалле.

Ответ: = 1,94 -108 —.

с

Задача 4. Определить поглощательную способность серого тела, если оно при температуре 727°С поверхности 10 см2 испускает лучистый поток, равный 25 Вт.

Задача 6. Найти комптоновское изменение длины волны при рассеянии квантов на ядрах атома водорода под углом 180°.

Ответ: 2,64-10"15 ж .

Задача 7. Заряженная частица, ускоренная разностью потенциалов 200 В, имеет длину волны де Бройля, равную 0,002 нм. Определить массу этой частицы, если известно, что заряд ее численно равен заряду электрона.

Ответ: 1,67-Ю-27 кг.

9