posobia_4semФизика / Квантовая оптика _решебник_
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕ РСИТЕТ
В.А. Жевнеренко, В.Н. Шамбулина, И.К. Серов
ФИЗИКА
Квантово-оптические явления. Физика атома. Элементы физики атомного ядра
Сборник задач с решениями
Допущено научно-методическим советом по физике Министерства образования и науки Российской Ф е- дерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техн и- ческим направлениям подготовки и спец иальностям
Ухта 2007
УДК 53 (075) ББК 22.Я7
Ж 45
Жевнеренко, В.А. Физика. Квантово-оптические явления. Физика атома. Эл е- менты физики атомного ядра: [Текст]: сборник задач с решениями/ В.А. Жевнеренко, В.Н. Шамбулина, И.К. Серов. – Ухта: УГТУ, 2007. – 240 с.
ISBN _ - _____ - ___ - _
Предлагаемое учебное пособие составляет единый методический ко м- плект с изданием «Физика. Квантово-оптические явления. Физика атома. Эл е- менты физики атомного ядра » авторов В.Н. Шамбулиной и В.А. Жевнеренко (УГТУ, 2008 г.).
Сборник задач предназначен как дополнительный материал по провед е- нию практических занятий по физике для самостоятельной работы студентов (СРС) по темам: «Квантово-оптические явления. Физика атома. Элементы ф и- зики атомного ядра». Рекомендуется для студентов инженерно-технического направления 130500 «Нефтегазовое дело» и студентов специальностей 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация магистральных газонефтепров о- дов и подземных газонефтехранилищ»; 130503 «Разработка и эксплуатация нефтегазовых месторождений» и 130504 «Бурение нефтяных и газовых скв а- жин».
Сборник задач включает 13 практических занятий по основным темам физики: «Квантово-оптические явления», «Физика атома», «Элементы физики атомного ядра». Предполагает минимальную предварительную теоретическую подготовку студентов к занятиям. В конце пособия приводятся основные физ и- ческие законы и формулы, физические постоянные и спр авочные таблицы.
Содержание заданий соответствует рабочей учебной программе. Рецензенты:
Э.И. Богуславский – профессор, заведующий кафедрой физики Санкт - Петербургского государственного горного института (Технический универс и- тет);
Н.И. Николаев – доктор техн.наук, профессор кафедры физики Санкт - Петербургского государственного горного института (Технический универс и- тет).
©Ухтинский государственный технический университет, 2007
©Жевнеренко В.А., Шамбулина В.Н., Серов И.К., 2007
ISBN _ - _____ - ___ - _
Оглавление: |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................... |
9 |
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ................................ |
9 |
РАЗДЕЛ I. КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ФИЗИКА АТОМА . 10 |
|
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1 ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ..................... |
10 |
Рекомендуемое задание № 1 ........................................................................... |
10 |
Рекомендуемое задание № 2 ........................................................................... |
10 |
Рекомендуемое задание № 3 ........................................................................... |
11 |
Рекомендуемое задание № 4 ........................................................................... |
12 |
Рекомендуемое задание № 5 ........................................................................... |
13 |
Рекомендуемое задание № 6 ........................................................................... |
13 |
Рекомендуемое задание № 7 ........................................................................... |
14 |
Рекомендуемое задание № 8 ........................................................................... |
15 |
Рекомендуемое задание № 9 ........................................................................... |
15 |
Рекомендуемое задание № 10 ......................................................................... |
16 |
Рекомендуемое задание № 11 ......................................................................... |
17 |
Рекомендуемое задание № 12 ......................................................................... |
19 |
Рекомендуемое задание № 13 ......................................................................... |
19 |
Рекомендуемое задание № 14 ......................................................................... |
20 |
Рекомендуемое задание № 15 ......................................................................... |
22 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................... |
23 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................... |
23 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................... |
24 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................... |
25 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................... |
25 |
Домашнее задание № 6 ................................................................................... |
27 |
Домашнее задание № 7 ................................................................................... |
27 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ........................ |
29 |
Рекомендуемое задание № 1 ........................................................................... |
29 |
Рекомендуемое задание № 2 ........................................................................... |
30 |
Рекомендуемое задание № 3 ........................................................................... |
30 |
Рекомендуемое задание № 4 ........................................................................... |
31 |
Рекомендуемое задание № 5 ........................................................................... |
32 |
Рекомендуемое задание № 6 ........................................................................... |
33 |
Рекомендуемое задание № 7 ........................................................................... |
34 |
Рекомендуемое задание № 8 ........................................................................... |
35 |
Рекомендуемое задание № 9 ........................................................................... |
36 |
Рекомендуемое задание № 10 ......................................................................... |
37 |
Рекомендуемое задание № 11 ......................................................................... |
38 |
Рекомендуемое задание № 12 ......................................................................... |
38 |
Рекомендуемое задание № 13 ......................................................................... |
40 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................... |
40 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................... |
41 |
3
Домашнее задание № 3 ................................................................................... |
42 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................... |
43 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................... |
44 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3 ФОТОНЫ. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА................................ |
46 |
Рекомендуемое задание № 1 ........................................................................... |
46 |
Рекомендуемое задание № 2 ........................................................................... |
47 |
Рекомендуемое задание № 3 ........................................................................... |
47 |
Рекомендуемое задание № 4 ........................................................................... |
48 |
Рекомендуемое задание № 5 ........................................................................... |
49 |
Рекомендуемое задание № 6 ........................................................................... |
51 |
Рекомендуемое задание № 7........................................................................... |
52 |
Рекомендуемое задание № 8 ........................................................................... |
52 |
Рекомендуемое задание № 9 ........................................................................... |
54 |
Рекомендуемое задание № 10 ......................................................................... |
55 |
Рекомендуемое задание № 11 ......................................................................... |
55 |
Рекомендуемое задание № 12 ......................................................................... |
56 |
Рекомендуемое задание № 13 ......................................................................... |
57 |
Рекомендуемое задание № 14 ......................................................................... |
58 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................... |
59 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................... |
59 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................... |
60 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................... |
61 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................... |
62 |
Домашнее задание № 6 ................................................................................... |
63 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4 ЭФФЕКТ КОМПТОНА .............................................. |
64 |
Рекомендуемое задание № 1 ........................................................................... |
64 |
Рекомендуемое задание № 2 ........................................................................... |
64 |
Рекомендуемое задание № 3 ........................................................................... |
65 |
Рекомендуемое задание № 4 ........................................................................... |
65 |
Рекомендуемое задание № 5 ........................................................................... |
67 |
Рекомендуемое задание № 6 ........................................................................... |
68 |
Рекомендуемое задание № 7 ........................................................................... |
69 |
Рекомендуемое задание № 8 ........................................................................... |
70 |
Рекомендуемое задание № 9 ........................................................................... |
71 |
Рекомендуемое задание № 10 ......................................................................... |
73 |
Рекомендуемое задание № 11 ......................................................................... |
73 |
Рекомендуемое задание № 12 ......................................................................... |
74 |
Рекомендуемое задание № 13 ......................................................................... |
75 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................... |
77 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................... |
79 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................... |
80 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................... |
80 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5 АТОМ ВОДОРОДА ПО ТЕОРИИ БОРА ................... |
82 |
Рекомендуемое задание № 1 ........................................................................... |
82 |
Рекомендуемое задание № 2 ........................................................................... |
83 |
4
Рекомендуемое задание № 3 ........................................................................... |
84 |
Рекомендуемое задание № 4 ........................................................................... |
87 |
Рекомендуемое задание № 5 ........................................................................... |
88 |
Рекомендуемое задание № 6 ........................................................................... |
89 |
Рекомендуемое задание № 7 ........................................................................... |
90 |
Рекомендуемое задание № 8 ........................................................................... |
91 |
Рекомендуемое задание № 9 ........................................................................... |
91 |
Рекомендуемое задание № 10 ......................................................................... |
93 |
Рекомендуемое задание № 11 ......................................................................... |
94 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................... |
94 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................... |
95 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................... |
97 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................... |
98 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................... |
99 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6 РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ........................... |
100 |
Рекомендуемое задание № 1 ......................................................................... |
100 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
101 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
102 |
Рекомендуемое задание № 4 ......................................................................... |
103 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
105 |
Рекомендуемое задание № 6......................................................................... |
106 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
107 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
107 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
108 |
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
109 |
Рекомендуемое задание № 11 ....................................................................... |
110 |
Рекомендуемое задание № 12 ....................................................................... |
111 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
112 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
113 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
113 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
114 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7 ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ ............................................... |
116 |
Рекомендуемое задание № 1 ......................................................................... |
116 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
116 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
117 |
Рекомендуемое задание № 4 ......................................................................... |
120 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
121 |
Рекомендуемое задание № 6 ......................................................................... |
122 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
124 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
125 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
126 |
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
127 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
129 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
130 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
131 |
5
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
132 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................. |
133 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8 СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ |
|
ГЕЙЗЕНБЕРГА .................................................................................................... |
135 |
Рекомендуемое задание № 1 ......................................................................... |
135 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
136 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
137 |
Рекомендуемое задание № 4 ......................................................................... |
138 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
139 |
Рекомендуемое задание № 6 ......................................................................... |
140 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
140 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
141 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
142 |
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
144 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
144 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
145 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
146 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
147 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................. |
148 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9 УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОНА В |
|
ПОТЕНЦИАЛЬНОМ «ЯЩИКЕ», АТОМЕ ВОДОРОДА. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА. |
|
ОРБИТАЛЬНЫЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ И МАГНИТНЫЙ МОМЕНТЫ. СПИН |
|
ЭЛЕКТРОНА. ПРИНЦИП ПАУЛИ. ЗАПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ |
|
ОБОЛОЧЕК В АТОМЕ ........................................................................................ |
150 |
Рекомендуемое задание № 1 ......................................................................... |
150 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
151 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
153 |
Рекомендуемое задание № 4......................................................................... |
154 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
155 |
Рекомендуемое задание № 6 ......................................................................... |
156 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
157 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
158 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
159 |
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
160 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
161 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
164 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
164 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
165 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................. |
165 |
РАЗДЕЛ II. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА ........................... |
167 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10 .................................................................................. |
167 |
1. МАССА, РАЗМЕР, СОСТАВ И ЗАРЯД АТОМНОГО ЯДРА. ....................... |
167 |
МАССОВОЕ И ЗАРЯДОВОЕ ЧИСЛО................................................................ |
167 |
6
2. РАДИОАКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ВИДЫ (ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР) |
|
............................................................................................................................... |
167 |
Рекомендуемое задание № 1 ......................................................................... |
167 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
167 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
168 |
Рекомендуемое задание № 4 ......................................................................... |
169 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
170 |
Рекомендуемое задание № 6 ......................................................................... |
170 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
171 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
172 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
172 |
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
173 |
Рекомендуемое задание № 11 ....................................................................... |
174 |
Рекомендуемое задание № 12 ....................................................................... |
175 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
176 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
177 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
177 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
177 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 11 ДЕФЕКТ МАССЫ И ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ |
|
ЯДЕР ..................................................................................................................... |
179 |
Рекомендуемое задание № 1 ......................................................................... |
179 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
179 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
180 |
Рекомендуемое задание № 4 ......................................................................... |
181 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
182 |
Рекомендуемое задание № 6 ......................................................................... |
182 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
183 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
184 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
184 |
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
185 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
186 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
186 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
187 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
187 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 12 ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. |
|
АКТИВНОСТЬ ..................................................................................................... |
189 |
Рекомендуемое задание № 1 ......................................................................... |
189 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
189 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
190 |
Рекомендуемое задание № 4 ......................................................................... |
191 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
192 |
Рекомендуемое задание № 6 ......................................................................... |
194 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
194 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
195 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
196 |
7
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
197 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
198 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
199 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
200 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
200 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 13 ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ |
|
ВЫХОД (ЭФФЕКТ) ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ ...................................................... |
202 |
Рекомендуемое задание № 1......................................................................... |
202 |
Рекомендуемое задание № 2 ......................................................................... |
203 |
Рекомендуемое задание № 3 ......................................................................... |
203 |
Рекомендуемое задание № 4 ......................................................................... |
204 |
Рекомендуемое задание № 5 ......................................................................... |
206 |
Рекомендуемое задание № 6 ......................................................................... |
206 |
Рекомендуемое задание № 7 ......................................................................... |
207 |
Рекомендуемое задание № 8 ......................................................................... |
208 |
Рекомендуемое задание № 9 ......................................................................... |
209 |
Рекомендуемое задание № 10 ....................................................................... |
210 |
Домашнее задание № 1 ................................................................................. |
212 |
Домашнее задание № 2 ................................................................................. |
212 |
Домашнее задание № 3 ................................................................................. |
213 |
Домашнее задание № 4 ................................................................................. |
215 |
Домашнее задание № 5 ................................................................................. |
215 |
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЗАДАЧНИКЕ.............. |
217 |
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................. |
222 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................................ |
236 |
8
Предисловие
При изучении курса физики во втузе большое значение имеет практич е- ское применение теоретических знаний, главное из которых – умение решать задачи.
Цель настоящего учебно-методического пособия – оказать помощь студентам инженерно-технических специальностей в изучении раздела «Квантовооптические явления. Физика атома. Элементы физики атомного ядра».
Данное учебное пособие полностью соответствует «Физика. Квантово - оптические явления. Физика атома. Элементы физики атомного ядра» В .Н. Шамбулиной (РИО УГТУ, 2006 г.), образуя, таким образом единый методич е- ский комплект.
Для формирования навыков работы над задачами, все решения оформл е- ны однотипно: запись условия, перевод данных в СИ, подробное решение зад а- чи в общем виде, подстановка числовых данных в конечную форму, запись о т- вета. Приведены от одного до нескольких м етодов решения задач.
В учебном пособии даны приложения, в которых рассмотрены выводы основных формул (теория), используемых далее в решениях, приведен пер е- чень важнейших формул и законов и справочные табл ицы.
Авторы
Методические указания к решению задач
Решая задачи, необходимо использовать следующие методические указ ания.
1.Вникнуть в условие задачи, кратко з аписать условие, сделать схематич е- ский чертеж, поясняющий содержание задачи.
2.Выяснив, какие физические законы лежат в основе задачи, решить ее в общем виде т.е. выразить искомую величину в буквенных обозначен иях.
3.Подставить числа в расчетную формулу и указ ать единицу искомой физической величины.
9
РАЗДЕЛ I. КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ФИЗИКА АТОМА
Практическое занятие 1 ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рекомендуемое задание № 1
Поток энергии Фe , излучаемый из смотрового окошка плавильной печи ,
равен 34 |
Вт. Определить температуру T печи, если площадь отверстия |
||
S 6см2. |
|
|
|
Дано: |
|
Си: |
Решение: |
Фe = 34 Вт |
|
6·10-4м2 |
Для равновесного излучения абсолютно чёрного |
S 6 см2 |
|
тела поток (мощность) излучения |
|
|
|
|
Фe Re S , |
T ? |
|
|
где S - площадь поверхности тела;
Согласно закону Стефана-Больцмана энергетическая светимость
(излучательность) абсолютно чёрного тела - энергия, излучаемая за единицу времени единицей поверхности абсолютно черного тела, пропорциональна четвертой степени абсолютной темп ературы тела T 4 :
Re T 4 ,
где 5,67 10 8 Вт/(м 2 К4) – постоянная Стефана-Больцмана. Подставим Re в предыдущую формулу, получим:
Фe T 4 S
Отсюда:
Т 4 |
|
е |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Подставляя значение в формулу, получим: |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T 4 |
|
|
|
34 |
|
|
|
10 |
3 |
1 (кК). |
|||
6 10 4 |
5 , 67 |
10 8 |
|
|
|||||||||
Ответ: T 1кК. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Рекомендуемое задание № 2 |
||||||
Определить энергию |
W , излучаемую за время t 1мин из смотрового |
||||||||||||
окошка площадью S 8см2 |
плавильной печи, если её температура T 1,2кK . |
10