Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

posobia_4semФизика / Квантовая оптика _решебник_

.pdf
Скачиваний:
1347
Добавлен:
02.03.2016
Размер:
1.54 Mб
Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ 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

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.