физика МЕТОДИЧКА

Энергетические зоны в кристаллах. Распределение электронов

по энергетическим зонам. Валентная зона и зона проводимости.

Металлы, диэлектрики и полупроводники. Собственная проводи-

мость полупроводников. Квазичастицы – электроны проводимости

и дырки. Эффективная масса электронов в кристалле. Примесная

проводимость полупроводников. Контактные явления. Контакт

электронного и дырочного полупроводника (p-n-переход) и его

вольтамперная характеристика. Фотоэлектрические явления в полу-

проводниках. Люминесценция твердых тел.

Т

Н

У

13. Элементы физики атомного ядра

и элементарных частиц

Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое чис-

ла. Момент импульса ядра и его магнитный момент. Состав ядра.

Работы Иваненко и Гейзенберга. Нуклоны. Взаимодействие нукло-

й

нов и понятие о свойствах и природе ядерных сил. Дефект массы и

энергия связи ядра. Закономерности происхождениеБальфа-, бета-

и

и гамма-излучений атомных ядер. Ядерные реакции и законы со-

хранения. Реакция деления

ядер

. Цепная реакция деления. Ядерный

реактор. Понятие о ядерной эне гет ке. Реакция синтеза атомных

основных

ядер. Проблема управляемых те моядерных реакций. Эффект Мес-

сбауэра и его применение. Элемента ные частицы. Их классифика-

т

ция и взаимная превращаем сть. Четыре типа фундаментальных

взаимодействий: сильные, электромагнитные, слабые и гравитаци-

и

проблемах современной физики и аст-

онные. Понятие об

рофизики. Современная физическая картина мира.

з

о

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ

Не бх димо хорошо усвоить вопросы, изложенные в разделе

“Введение”. Изучать основы классической механики надо исходя из

Р

р дставлений современной физики, в которой основные понятия

пклассической механики не утратили своего значения, а лишь полу-

чили дальнейшее развитие, обобщение и критическую оценку с

еточки зрения их применения. Следует помнить, что механика — это

ходящих при этом взаимодействиях между телами. Движение все-

гда существует в пространстве и во времени. Надо помнить, что

пространство и время являются основными формами существова-

ния материи. Предметом классической механики является движение

макроскопических материальных тел, совершаемое со скоростями,

малыми по сравнению со скоростью света в вакууме. Движение

У

частиц со скоростями порядка скорости света рассматривается в

теории относительности, а движение микрочастиц изучается в кван-

товой механике.

Контрольная работа по разделам “Механика”, “Молекулярная

Н

физика и термодинамика” построена так, что позволяет проверить

знания студентов по ключевым вопросам этих дисциплин. Решая

задачи по кинематике, в которых необходимо использовать матемаТ-

тический аппарат дифференциального и интегрального исчисления,

студент должен научиться определять мгновенные скорость и уско-

рение по заданной зависимости координаты от времени и решать

обратные задачи.

й

иБпоступательного

Задачи на динамику материальной

точки

движения твердого тела охватывают так е вопросы, как закон со-

р

хранения импульса (количества дв жен я); работу силы и ее выра-

жение через криволинейный интег ал; связь к нетической энергии

ериальной

механической системы с работой сил, п иложенных к этой системе;

закон сохранения механическ й эне гии.

Тщательного изучения и

т

п ле как форме материи, осуществ-

понимания требуют вопр сы

ляющей взаимодейс вие между частицами вещества или телами; о

потенциальной

ма

точки во внешнем поле и по-

тенциальной энерг

механ ческой системы.

з

В задачах на к немат ку и динамику вращательного движения

о

твердого тела главное вн мание уделяется изучению соотношений

между линейнымиэнергииугловыми характеристиками, понятию момен-

та силы, м мента инерции тела, законам сохранения количества

движения, м менту количества движения и механической энергии.

Необходимо уяснить, что существует два качественно различных

и взаимодо олняющих метода исследования физических свойств

Р

микроскопическихп

систем – статистический (молекулярно-кинети-

ч ский) и термодинамический. Молекулярно-кинетический метод

еисследования лежит в основе молекулярной физики, термодинами-

рия является важнейшей теорией, которая позволяет с единой точки

зрения рассмотреть самые различные явления во всех состояниях

вещества, вскрыть физическую сущность этих явлений и теоретиче-

ским путем вывести многочисленные закономерности, открытые

экспериментально и имеющие большое практическое значение.

При изучении молекулярно-кинетической теории следует уяс-

нить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от

свойств каждой отдельной молекулы, а свойства микроскопической

системы, в конечном счете, определяются свойствами частиц сис-

темы, особенностями их движения и средними значениями кинема-

Н

тических характеристик частиц, т.е. их скоростей, энергии и т. дУ.

В отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика

не изучает конкретно молекулярные взаимодействия, происходяТ-

щие с отдельными атомами и молекулами, а рассматривает взаимо-

превращения и связь различных типов энергии, теплоты и работы.

Термодинамика базируется на двух опытных законах (началах), ко-

й

торые позволяют описывать физические явления, связанные с пре-

вращением энергии макроскопическим путем.Б

ки

При изучении основ термод нам

студент должен четко усво-

р

ить такие понятия, как термод нам ческая система, термодинами-

ческие параметры (парамет ы состоян я), равновесное состояние,

о

уравнение состояния, те модинамический процесс, внутренняя

энергия, энтропия и т.д.

В задачах на

тему

“Осн вы молекулярно-кинетической теории”

внимание уделено

аким в пр сам программы, как уравнение Кла-

и

пейрона – Менделеева, уравнения молекулярно-кинетической тео-

рии, средн е к не

ческие энергии поступательного и вращатель-

з

ного движен я молекул, средняя длина свободного пробега и сред-

роцессе

нее число соударен й.

Задачи по теме “Основы термодинамики” охватывают такие важ-

ные с

тн шения и понятия, как первое начало термодинамики,

внутренняя энергия, работа при различных изопроцессах и адиабат-

ном

. Включены также задачи,

которые позволяют изучить

Р

и онять такие вопросы, как цикл Карно, второе начало термодина-

пмики и энтропия, которая в отличие от количества теплоты является

функцией состояния.

еВ контрольной работе, помогающей проверить знания по разде-

деление напряженности поля и разности потенциалов, расчет про-

стейших электрических полей с помощью принципа суперпозиции,

определение электроемкости и энергии поля конденсаторов, приме-

нение законов Ома и Джоуля – Ленца.

Особое внимание при изучении электростатики следует обратить

на закон сохранения электрического заряда, инвариантность его в

У

теории относительности на силовую и энергетическую характери-

стики поля (напряженность, потенциал) и связь между ними. Необ-

ходимо уметь применять теорему Остроградского – Гаусса для вы-

числения напряженности электрических полей, уяснить такие поня-

Н

тия, как поток и циркуляция вектора напряженности поля.

При изучении электрического поля в диэлектриках следует пред-

ставлять механизм поляризации полярных и неполярных диэлекТ-

триков и преимущество вектора электрического смещения перед

вектором напряженности для описания электрического поля в не-

однородных диэлектриках.

ей

При изучении вопроса об энергии заряженных проводников и кон-

денсаторов необходимо обратить внимание, что в рамкахБэлектроста-

ический

тики нельзя однозначно решать вопрос о локал зации этой энергии. С

энерг

обладают как заряжен-

равным правом можно считать, что

ные проводники, таки создаваемое

ми электр ческое поле.

о

ток” следует начать

Изучение темы “Постоянный элект

с классической электронн й те

ии п оводимости металлов; на ее

т

основе рассмотреть законы Ома и Джоуля – Ленца; четко разграни-

чить такие понятия, как разн сть п тенциалов, электродвижущая

и

сила и электрическое напряжение.

Электрическ е

магн

ные явления связаны с особой формой

з

существования матер – электрическими и магнитными полями, с

о

их взаимодейств ем. Электромагнитные взаимодействия не только

объясняют все электромагнитные явления, но и обеспечивают силы,

обусл вливающие существование вещества на атомном и молеку-

лярном ур внях как целого. Важность теории электромагнитного

поля связана с тем, что она включает в себя всю оптику, так как

св т р дставляет

собой

электромагнитное излучение.

Основой

Р

т ориипэлектромагнитного поля является теория Максвелла. Урав-

н ния Максвелла установили тесную связь между электрическими и

емагнитными явлениями, которые раньше рассматривались как неза-

14

висимые. Максвелл сформулировал такое важнейшее понятие фи-

зики, как электромагнитное поле.

Необходимо усвоить закон Ампера, знать и уметь применять за-

кон Био – Савара – Лапласа для расчета магнитной индукции или

напряженности магнитного поля прямолинейного и кругового то-

ков, а также закон полного тока (циркуляции вектора магнитной

индукции) для расчета магнитного поля тороида и длинного соле-

ноида. При изучении вопросов, связанных с действием магнитного

поля на движущиеся заряды, нужно уметь применять формулу силы

Лоренца, определять направление движения заряженных частиц в

Н

магнитном поле, представлять себе принцип работы циклическихУ

ускорителей заряженных частиц, определять работу перемещения

проводника и контура с током в магнитном поле.

Т

При изучении явления электромагнитной индукции необходимо

усвоить, что механизм возникновения ЭДС индукции имеет элек-

тронный характер. Изучив основной закон электромагнитной ин-

й

дукции Фарадея – Максвелла, надо научиться на его основе выво-

дить и применять для расчетов формулы ЭДСБиндукции, энергии

выражения циркуляции векто амагнитной индукции, магнитное

магнитного поля.

р

Изучение магнитных свойств веществ, в основном, носит описа-

тельный характер. При этом необход мо уяснить, что,

исходя из

единого

поле в отличие от электрическ го является вихревым.

При изучении

темы

“К лебания и волны” следует параллельно

рассмотреть механические и электромагнитные колебания, что спо-

и

подхода к колебаниям различной фи-

собствует вырабо ке

зической пр роды. Здесь следует четко уяснить понятия фазы, ам-

з

плитуды, частоты, пер ода колебаний и там, где это необходимо,

жно

исполь овать граф ческий метод представления гармонических ко-

лебаний. Нужно уяснить, что любые колебания линейной системы

всегда м

представить в виде суперпозиции одновременно со-

вершающихся гармонических колебаний с различными частотами,

ам литудами и начальными фазами.

Р

При изучении электромагнитных волн следует ясно представ-

плять физический смысл уравнений Максвелла (в интегральной

форме) и, опираясь на них, рассмотреть свойства этих волн. Нужно

ечетко представлять,

что переменные электрическое и

магнитное

вать в виде электромагнитной волны. Другими словами, электро-

магнитная волна – это распространяющееся в пространстве пере-

менное электромагнитное поле. Под энергией электромагнитного

поля следует подразумевать сумму энергий электрического и маг-

нитного полей. Простейшей системой, излучающей электромагнит-

ные волны, является колеблющийся электрический диполь. Следует

У

помнить, что если диполь совершает гармонические колебания, он

излучает монохроматическую волну.

В контрольной работе, помогающей проверить знания по разделу

“Электромагнетизм”, содержатся задачи на применение закона Био –

Н

Савара – Лапласа для расчета магнитной индукции (или напряженно-

сти) магнитного поля, создаваемого проводниками с током различ-

ной конфигурации; на применение принципа суперпозиции приТоп-

ределении индукции или напряженности простейших полей; на оп-

ределение траектории движения заряженной частицы, ее заряда и

силы, действующей на движущуюся частицу в магнитном поле; на

й

вычисление работы, совершаемой силами как при движении прямо-

линейного проводника с током, так и при вращенииБконтура с током

и

различной конфигурации в магнитном поле; на нахождение энергии

р

и объемной плотности энергии магн тного поля соленоида.

В настоящее время волновая опт ка является частью общего

ичность

учения о распространении волн.

П изучении явлений интерфе-

ренции, объясняемых с п зиций в лновой природы света, необхо-

т

димо обратить внимание на бщн сть этих явлений для волн любой

природы. Но световые в лны имеют специфические особенности –

и

, – которые обусловлены конеч-

когерентность, монохрома

ной длительностью свечен я о дельного атома.

з

При изучении

нтерференции особое внимание следует обратить

место

на такие вопросы, как цвета тонких пленок, полосы равной толщи-

ны и равн го наклона. Следует помнить, что при интерференции

света имеет

суперпозиция,

связанная с перераспределением

энергии, а не со взаимодействием волн.

Рассматривая явление дифракции, необходимо уяснить метод зон

Фр н ля, уметь пользоваться графическим методом сложения ампли-

Р

тудп, что будет способствовать пониманию дифракции на одной щели,

дифракционной решетке. Кроме того, необходимо изучить дифрак-

ецию на пространственной решетке, уметь пользоваться формулой

16

Вульфа – Брэггов, являющейся основной в рентгеноструктурном

анализе, имеющем важнейшее практическое применение.

Изучение явлений интерференции и дифракции света должно

способствовать, с одной стороны, пониманию физических основ

голографии, а с другой, – основ волновой (квантовой) механики и

физики твердого тела.

Поперечность световых волн была экспериментально установле-

на при изучении явления поляризации света, которое имеет боль-

шое практическое значение. При изучении этого явления особое

внимание следует обратить на способы получения поляризованного

Н

света, применение законов Брюстера, Малюса, явление вращенияУ

плоскости поляризации в кристаллах и растворах, эффект Керра.

Изучая явление дисперсии света, необходимо уяснитьТсущность

электронной теории этого явления, отличие нормальной дисперсии

от аномальной.

Необходимо четко представлять такие понятия, как фазовая и

й

групповая скорости, знать связь между ними и показать их равенст-

во при отсутствии дисперсии. Следует представлятьБ, что при дви-

рассматривать как

явление.

жении заряженных частиц в веществе в том случае, когда скорость

р

их движения превышает фазовую скорость световых волн в этой

среде, возникает излучение Вав лова – Черенкова, которое нужно

классическое

Переход от классическ й физики к квантовой связан с пробле-

т

мой теплового излучения и, в частности, с вопросом распределения

энергии по час о ам в спек ре черного тела. Изучая тему “Кванто-

квант вых свизлученияйствах света. Кванты света получили название фото-

вая природа

”, необходимо знать гипотезу Планка о кван-

товании энерг

осц лля оров,

уяснить, что на основании формулы

зиции

Планка могут быть получены законы Стефана – Больцмана и Вина.

фотоэффекта следует знать формулу Эйнштейна и на ее основании

Развитие г потезы Планка привело к созданию представлений о

н в. С п

квантовой теории света объясняются такие явления,

как ф т электрический эффект и эффект Комптона. При изучении

Р

ум ть объяснить закономерности, установленные Столетовым.

пРассматривая эффект Комптона, необходимо обратить внимание

на универсальный характер законов сохранения энергии, которые

еоказываются справедливыми в каждом отдельном акте взаимодей-

Изучая световое давление, важно понять, что это явление может

быть объяснено как на основе волновых представлений о свете, так

и с точки зрения квантовой теории.

В итоге изучения этого раздела должно сформироваться пред-

ставление, что электромагнитное излучение имеет двойственную

корпускулярно-волновую природу – корпускулярно-волновой дуа-

У

лизм, который

представляет собой проявление взаимосвязи двух

основных форм материи – вещества и поля.

Изучение раздела “Элементы атомной и ядерной физики и физи-

ки твердого тела ” следует начать с элементов квантовой механики;

Н

рассмотреть такие вопросы, как корпускулярно-волновой дуализм

материи, гипотеза де Бройля; уяснить, что движение любой части-

цы, согласно этой гипотезе, всегда сопровождается волновымТпро-

цессом. Исходя из соотношений неопределенностей Гейзенберга,

определить границы применимости классической механики, понять,

что из этих соотношений вытекает необходимость описания со-

й

стояния микрочастиц с помощью волновой функции; обратить вни-

мание на ее статистический смысл. ЦелесообразноБрассмотреть

трона импульса в атоме водо

и

выяснить смысл квантовых чи-

применение уравнения Шредингера к стац онарным состояниям

р

(прямоугольная потенциальная яма бесконечной глубины). Следует

знать правила квантования эне г

, о б тального момента элек-

ода

сел. Необходимо обратить внимание на физический смысл спиново-

никам, проводн кам (металлам). Рассматривая эти вопросы, надо

го числа и принцип запрета Паули, на основе которого рассмотреть

распределение электрон в в а

ме по состояниям.

Необходимо

ь внимание элементам теории кристалличе-

ской решетки, элемен ам зонной теории твердых тел, полупровод-

з

о

понять характер теплового движения в твердых телах, дебаевскую

теорию тепл емкуделисти, распределение электронов по энергиям Т = 0

и Т > 0 К; иметь качественное представление о сверхпроводимости,

в том числе выс котемпературной сверхпроводимости. Выяснить

различия между металлами, диэлектриками и полупроводниками,

рассмотр ть собственную и примесную проводимости полупровод-

Р

никовпи вольт-амперную характеристику p-n-перехода. Необходимо

знать физические основы работы лазеров и их применение.

еПереходя к изучению элементов физики атомного ядра и эле-

ментарных частиц, надо хорошо представлять себе состав атомного

18

ядра и его характеристики: массу, линейные размеры, момент им-

пульса, магнитный момент, дефект массы ядра, энергию и удель-

ную энергию его связи. Рассматривая состав ядра и взаимодействие

в нем нуклонов, нужно знать свойства ядерных сил и обратить вни-

мание на их обменную природу.

В процессе изучения радиоактивного распада ядер важно понять

дискретный характер энергетического спектра α-частиц и γ-излу-

чения, свидетельствующий о квантовании энергии ядер; понять зако-

номерности β-распада, связанного с законами сохранения энергии.

Важно понять, что во всех ядерных реакциях выполняются зако-

Н

ны сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электричеУ-

ского заряда, массы (массового числа). Особое внимание необходи-

мо уделить реакциям синтеза легких и деления тяжелыхТядер, во-

просам ядерной энергетики и проблемам управления термоядерны-

ми реакциями.

В предлагаемых контрольных работах содержатся задачи, кото-

одной

рые позволяют проверить знания студентов по разделу “Волновая

оптика и квантовая природа

”, задачиБна интерференцию

излучения

в тонких пленках. Тема “Дифракц я света” представлена задачами:

р

щели, на плоской и про-

дифракция в параллельных лучах на

странственной дифракционной ешетках.

фо

Задачи по теме “Поля изация света” охватывают такие вопросы,

как применение закона Брюсте а, Малюса, определение степени поля-

т

ризации, вращение пл ск стип ляризации врастворах икристаллах.

Задачи по теме “Кван вая природа излучения” включают законы

ная и м лярнаяизлучениятеплоемкости твердых тел по теории Дебая, и т.д.

теплового

,

оэффект, эффект Комптона, давление света.

Ряд

включает

акие вопросы, как определение длины волны

задач

де Бройля, дв жущ хся частиц, соотношения неопределенностей

о

Гейзенберга. Имеются также задачи, в которых определяются удель-

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

Р

КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

пЗа время изучения курса общей физики студент-заочник должен

пр дставить в учебное заведение несколько контрольных работ.

еПри выполнении

контрольных

работ необходимо соблюдать

1. На титульном листе необходимо указывать номер контроль-

ной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы сту-

дента, шифр и домашний адрес.

2. Контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя

поля для замечаний рецензента.

3. Задачу своего варианта надо переписывать полностью, а задан-

У

ные физические величины выписать отдельно, при этом все числовые

величины должны быть переведены в одну систему единиц (СИ).

4. Для пояснения решения задачи следует, где это нужно, акку-

ратно сделать чертеж.

Н

5. Решение задач и используемые формулы должны сопровож-

даться пояснениями.

6. В пояснениях к задаче необходимо указывать те основныеТза-

коны и формулы, на которых базируется решение данной задачи.

7. При получении расчетной формулы, которая нужна для реше-

ния конкретной задачи, надо приводить ее вывод.

й

8. Решение задачи рекомендуется сначала делать в общем виде,

т.е. только в буквенных обозначениях, поясняя применяемыеБ

при

написании формул обозначения.

и

р

9. Вычисления следует провод ть путем подстановки заданных

числовых величин в расчетную фо мулу.

о

10. Необходимо проверять единицы полученных величин по

расчетной формуле, тем самым п дтве див ее правильность.

т

11. Константы физических величин и другие справочные данные

выбираются из таблиц (см. “Задачник по физике”

А.Г. Чертова,

А.А. Воробьева).

и

12. При выч слен ях следует, по возможности, использовать

з

числом знача-

микрокалькулятор; точность расчета определяется

о

щих исходных данных.

13. В к нтр льной работе следует указать учебники и учебные

пособия, к т рые использовались при решении задач.

Контр льные работы, представленные без соблюдения указан-

ных равил, а также выполненные не по своему варианту, зачиты-

ваться не будут.

Р

Припотсылке работы на повторное рецензирование следует обя-

зат льно представлять ее с первой рецензией.

еКонтрольные работы необходимо высылать для рецензирования