Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Ухтинский государственный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Serov_Fizika_ch_2 / !poz017

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

02.03.2016

Размер:

1.25 Mб

Скачать

☆

1 / 71 2 3 4 5 6 7 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Серов И.К., Перфильева Э.А., Тарсин А.В., Филиппов Г.П.

ФИЗИКА

Часть 2

Учебное пособие

Ухта 2000

УДК 53 (075) C32

ББК 22.3

Серов И.К., Перфильева Э.А., Тарсин А.В., Филиппов Г.П.Физика. Часть 2: Учебное пособие. - Ухта: УГТУ, 2000. – 66 с.

ISBN 5 - 88179 - 218 - 1

Учебное пособие содержит программу, основные формулы, примеры решения задач и контрольные задания по разделам общего курса физики "Электромагнетизм", "Оптика", "Элементы атомной физики, квантовой механики и физики твердого тела". Предназначено студентам третьего курса заочного факультета инженерно - технических специальностей 290700, 290300 и направлению 550100 для выполнения 4, 5 и 6 контрольных работ.

Содержание контрольных заданий соответствует рабочей учебной программе

Рецензенты: кафедра физики твердого тела Сыктывкарского государственного университета; Мильков Г.П., к.ф.-м.н., доцент Российского государственного открытого технического университета путей сообщения (РГОТУПС).

©Ухтинский государственный технический университет, 2000

©Серов И.К., Перфильева Э.А., Тарсин А.В., Филиппов Г.П., 2000

ISBN 5 - 88179 - 218 - 1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общие указания по изучению курса физики и выполнению контрольных заданий. 3 Методические указания к решению задач …………………………………………….. 4 Программа второй части курса физики …………………………………………………4

Литература ………………………………………………………………………………...6

4.Электромагнетизм …………………………………………………………………….6

Основные формулы …………………………………………………………………… 6 Примеры решения задач ……………………………………………………………… 9 Контрольная работа 4 ………………………………………………………………..24

5.Оптика ..……………………………………………………………………………… 31 Основные формулы ……………………………………………………………………31

Примеры решения задач ……………………………………………………………...34 Контрольная работа 5 ………………………………………………………………...43

6.Элементы атомной физики, квантовой механики и физики твердого тела ….48

Основные формулы ………………………………………………………………….. 48 Примеры решения задач ……………………………………………………………... 51 Контрольная работа 6 ……………………………………………………………….. 56 Приложения ……………………………………………………………………………...62

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА ФИЗИКИ И ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЙ

Основной формой обучения студента - заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал. Студенты 3 курса заочного факультета УГТУ изучают следующие разделы общего курса физики: «Электромагнетизм», «Оптика», «Элементы атомной физики, квантовой механики и физики твердого тела» и должны выполнить три контрольные работы. Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами, приведенными в конце учебного пособия, после чего следует приступать к выполнению контрольных работ 4, 5 и 6. При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие правила.

Номер варианта контрольной работы, которую должен выполнить студент, совпадает с последней цифрой номера его студенческого билета.

Каждую контрольную работу выполнять в отдельной тетради школьного типа, на обложке которой привести сведения по следующему образцу:

Студент заочного факультета УГТУ Иванов И.И.

Шифр 999430

Адрес: Республика Коми, г. Печора ул. Первомайская, 31, кв. 7 Контрольная работа 4 по физике

Условия задач переписывать полностью, без сокращений. К решениям задач следует давать пояснения.

Решение каждой задачи начинать с новой страницы, оставляя место для замечаний преподавателя.

При решении задач выполнять правила, указанные в пункте «Методические указания к решению задач».

Если при проверке работы преподавателем в ней обнаружены серьезные ошибки и на работе сделана пометка «На повторное рецензирование», нужно исправить ошибки и снова представить на проверку. Исправление нужно делать в той же тетради, в конце работы.

При наличии на контрольных работах рецензии преподавателя «Допущен к собеседованию» в контрольных работах следует исправить ошибки, указанные преподавателем, и представить их на очное собеседование, которое осуществляется во время лабораторно - экзаменационной сессии. После этого контрольные работы могут быть зачтены.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

При решении задач надо пользоваться приведенными ниже правилами и соблюдать указанную последовательность действий.

Записать краткое условие задачи, вводя буквенные обозначения величин, указанных в условии задачи, и перевести эти величины в систему СИ.

Сделать (если возможно) чертеж, поясняющий содержание задачи.

Указать физические законы, которые описывают явления, указанные в условии задачи.

Используя математическую запись законов, установленных в п.3, составить уравнение или систему уравнений, из которых могут быть определены искомые величины.

Решить эти уравнения в общем виде и получить формулу, в левой части которой стоит искомая величина, а в правой величины, заданные в условии задачи. Величины, заданные в условии задачи, подставить в полученную формулу и сделать вычисления, сохраняя при этом три значащие цифры.

ПРОГРАММА ВТОРОЙ ЧАСТИ КУРСА ФИЗИКИ

1. Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Ампера. Магнитное поле тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле кругового тока. Магнитный момент витка с током. Вихревой характер магнитного поля. Закон полного тока (циркуляция вектора магнитной индукции) и его применение к расчету магнитного поля тороида и длинного соленоида. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Эффект Холла. Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток. Теорема Остроградского-Гаусса для магнитного поля. Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле.

2.Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции. Явление самоиндукции. Индуктивность. Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Энергия магнитного поля проводника

стоком. Объемная плотность энергии магнитного поля.

3.Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков. Намагниченность. Элементарная теория диа- и парамагнетизма. Магнитная восприимчивость вещества и ее зависимость от температуры. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Ферромагнетики. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри. Домены.

4.Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в интегральной форме. Электрический колебательный контур. Энергия электромагнитных колебаний. Электромагнитные волны. Основные свойства электромагнитных волн.

5.Интерференция волн. Оптическая разность хода. Условия максимума и минимума интерференции. Способы наблюдения интерференции света. Расчет интерференционной картины от двух источников. Интерференция в тонких пленках. Кольца Ньютона. Интерферометры.

6.Дифракция света и условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса-Френеля.

Зоны Френеля. Графический метод сложения амплитуд. Вычисление радиусов зон Френеля. Дифракция света на одиночных отверстиях и экранах. Дифракционная решетка и ее применение. Дифракция на пространственной решетке. Дифракция света на ультразвуковых волнах.

7.Естественный свет и различные типы поляризованного света. Закон Малюса. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Поляризующие призмы, поляроиды и их применение. Вращение плоскости поляризации. Искусственное двойное лучепреломление.

8.Дисперсия света и условия ее наблюдения. Аномальная дисперсия. Электронная теория дисперсии света. Закон Бугера. Цвета тел и спектры поглощения.

9.Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способность. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Законы теплового излучения. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Формула Планка. Оптическая пирометрия. Фотоэффект. Опыты Герца, Столетова, Иоффе. Фотоны. Уравнение Эйнштейна. Фотоэлементы и их применение. Давление света. Эффект Комптона.

10.Ядерная модель атома. Опыт Резерфорда. Недостатки классической теории атома. Спектр атома водорода. Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца. Спектр атома водорода по теории Бора.

11.Волновые свойства элементарных частиц. Формула де Бройля.

Соотношение неопределенностей.

12.Опыт Штерна и Герлаха. Магнитные свойства атомов. Квантовые числа. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме. Рентгеновские лучи и их спектры. Виды межатомных связей. Энергия молекулы. Молекулярные спектры. Спонтанное и вынужденное излучение. Квантовые генераторы. Понятие о лазере.

13.Естественная радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Методы регистрации радиоактивных излучений. Правила смещения. Радиоактивные семейства. Закономерности альфа - распада. Масс - спектрометры и измерение масс атомов. Изотопы. Состав атомного ядра. Ядерные силы. Дефект масс, энергия связи устойчивость ядер. Происхождение бета - излучения. Нейтрино. Происхождение гамма - излучения. Нейтроны. Методы их регистрации. Искусственная

радиоактивность. Типы ядерных реакций. Цепная реакция. Космические лучи. Элементарные частицы.

ЛИТЕРАТУРА

1.Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. - М.: Наука,1985.

2.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989.

3.Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Т.1-3. - М.: Наука, 1974.

4.Савельев И.В. Курс общей физики.- М.: Наука, 1979 .- Т. 1-3.

5.Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа ,1996.

6.Физика. Методические указания и контрольные задания для студентов - заочников инженерно - технических специальностей высших учебных заведений (включая сельскохозяйственные вузы) / А.А. Воробьев, В.П. Иванов, В.Г. Кондакова, А.Г. Чертов - М.: Высшая школа, 1987.

7.Физика: Программа, методические указания и контрольные задания для студентов - заочников технологических специальностей высших учебных заведений/ В.Л. Прокофьев, В.Ф. Дмитриева, В.А. Рябов, П.И. Самойленко, В.М. Гладской ; под ред. В.Л. Прокофьева. М.: Высшая школа, 1998.

8.Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике/Под ред. А.Г.Чертова. - М.: Высшая школа, 1978

9.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука,1980.

4. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Основные формулы

Связь магнитной индукции B с напряженностью H магнитного поля

B = µµ0H,

где µ - магнитная проницаемость изотропной среды; µ0 - магнитная постоянная. В вакууме µ = 1, и тогда магнитная индукция в вакууме

B = µ0H.

Закон Био - Савара - Лапласа

dB =	µµ0	[dlr]	I	или dB =	µµ0	I sinα	dl ,
			r3
	4π				4π	r2

где dB - магнитная индукция поля, создаваемого элементом провода длиной dl с током I; r - радиусвектор, направленный от элемента проводника к точке, в которой определяется магнитная индукция; α-угол между радиусом - вектором и направлением тока в элементе провода.

Магнитная индукция в центре кругового тока

B = µµ2R0 I ,

где R - радиус кругового витка. Магнитная индукция на оси кругового тока

B =	µµ0	2πR2 I	,
	4π	(R2 + h2 )3 / 2

где h - расстояние от центра витка до точки, в которой определяется магнитная индукция.

Магнитная индукция поля прямого тока

B = µµ0 I ,

2π r0

где r0 - расстояние от оси провода до точки, в которой определяется магнитная индукция.

Магнитная индукция поля, создаваемого отрезком провода с током

B = µµ0 I (cosα1 − cosα2 ), 4π r0

где r0 - расстояние от проводника до точки наблюдения, α1 и α2 - углы, под которыми видны концы проводника из точки наблюдения.

При симметричном расположении концов провода относительно точки, в которой определяется магнитная индукция,

-cosα2 = cosα1 = cosα, тогда

B = µµ0 I cosα .

2π r0

Магнитная индукция поля соленоида B = µµ0nI, где n - отношение числа витков соленоида к его длине.

Сила, действующая на провод с током в магнитном поле (закон Ампера),

F = I[l B], или F = I B l sinα,

где l -длина провода; α- угол между направлением тока в проводе и вектором магнитной индукции B. Это выражение справедливо для однородного магнитного поля и прямого отрезка провода. Если поле неоднородно и провод не является прямым, то закон Ампера можно применять к каждому элементу провода в отдельности:

dF = I[dl B].

Магнитный момент плоского контура с током

pm = nIS,

где n - единичный вектор нормали (положительной) к плоскости контура; I - сила тока, протекающего по контуру; S -площадь контура.

Механический (вращательный) момент, действующий на контур с током, помещенный в однородное магнитное поле,

M = [pm B], или M = pm Bsinα,

где α- угол между векторами pm и B.

Потенциальная энергия (механическая) контура с током в магнитном поле

Пмех = - pm B, или Пмех = - pm Bcosα.

Отношение магнитного момента pm к механическому L (моменту импульса) заряженной частицы, движущейся по круговой орбите, pLm = 2Qm , где Q - заряд

частицы; m - масса частицы.

Сила Лоренца F = Q[vB], или F=QvBsinα,

где v -скорость заряженной частицы;α - угол между векторами v и B. Магнитный поток:

а) в случае однородного магнитного поля и плоской поверхности Ф = BScosα или Ф =Bn S,

где S -площадь контура; α - угол между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции:

б) в случае неоднородного поля и произвольной поверхности

Ф = ∫BndS

(интегрирование ведется по всей поверхности). Потокосцепление (полный поток) Ψ = NФ.

Эта формула верна для соленоида и тороида с равномерной намоткой плотно прилегающих друг к другу N витков.

Работа по перемещению замкнутого контура в магнитном поле А = I ∆Ф.

ЭДС индукции ξi = − ddtΨ .

Разность потенциалов на концах провода, движущегося со скоростью v в магнитном поле, U = B l v sinα,

где l - длина провода; α - угол между векторами v и B.

Заряд, протекающий по замкнутому контуру при изменении магнитного потока, пронизывающего контур,

Q = ∆Ф/R, или Q = N∆Ф/R = ∆Ψ/R,

где R - сопротивление контура. Индуктивность соленоида L = Ф/I.

ЭДС самоиндукции ξs = −L dIdt .

Индуктивность соленоида L = µµ0 n2 V,

где n - отношение числа витков соленоида к его длине; V - объем соленоида. Мгновенное значение силы тока в цепи, обладающей сопротивлением R и

индуктивностью L:

а)	I =	ξ		−e	−	Rt			ξ - ЭДС источника тока; t - время,
		ξ			−
		1				L ( при замыкании цепи), где

		R
прошедшее после замыкания цепи;
б)	I = I		e−	Rt		(при размыкании цепи), где I			- сила в цепи при t=0; t - время,
б)	I = I		e−	L		(при размыкании цепи), где I			- сила в цепи при t=0; t - время,
		0					0
прошедшее с момента размыкания цепи.
Энергия магнитного поля W =							LI 2	.
Энергия магнитного поля W =							2	.
							2

Объемная плотность энергии магнитного поля (отношение энергии магнитного поля соленоида к его объему) w = BH/2, или w=B2/(2µµ0), или w = µµ0H2/2, где B - магнитная индукция; H - напряженность магнитного поля.

есть угол между

где символ l означает, что интегрирование распространяется на всю длину провода. Запишем закон Био-Савара-Лапласа в векторной форме:

dBr = µµ4πr03I [dlrrr],

где dВ - магнитная индукция, создаваемая элементом провода длиной dl с током I в точке, определяемой радиусом - вектором г; µ0 - магнитная постоянная; µ - магнитная проницаемость среды, в которой находится провод.

(Во всех задачах, где это специально не оговорено, следует считать, что средой является воздух, для которого магнитная проницаемость µ принимается равной единице). Заметим, что векторы dВ от различных элементов тока сонаправлены (рис. 1), поэтому выражение (1) можно переписать в скалярной форме: B = ∫dB,

(1)

Br = ∫dBr,

Пример 1. По отрезку прямого провода длиной L=80 см течет ток I=50А. Определить магнитную индукцию В поля, создаваемого этим током, в точке А, равноудаленной от концов отрезка провода и находящейся на расстоянии го=З0 см от его середины.

Р е ш е н и е. Для решения задач воспользуемся законом Био-Савара-Лапласа и принципом суперпозиции магнитных полей. Закон Био-Савара-Лапласа позволяет определить магнитную индукцию dB, создаваемую элементом тока Id1. Заметим, что вектор dВ в точке А направлен за плоскость чертежа. Принцип суперпозиции позволяет для определения В воспользоваться геометрическим суммированием (интегрированием):

Примеры решения задач

где	dB =	µ0 I	sinα	dl,

		4π r2

В скалярном выражении закона Био-Савара-Лапласа угол α элементом тока Idl и радиусом - вектором г. Таким образом,

dB =	µ	0	I	∫	sin α		dl,	(2)
	4π				r	2
				l

Преобразуем подынтегральное выражение так, чтобы была одна переменная - угол α. Для этого выразим длину элемента провода dl через угол dα : dl = rdα / sin α (рис. 1).

Тогда подынтегральное выражение sinr 2α dl запишем

в виде

sin α rdα

dα

Заметим, что переменная r

r 2 sin α

также

зависит

от

α ,

(г=го/sin α ); следовательно,

dα

sin α

dα.

Таким образом, выражение (2) можно переписать в виде

				10
			µ0 I		α
		B =	µ0 I		∫2 sin αdα,
		B =	4πr		∫2 sin αdα,
	0				α1
где α1 и α2 - пределы интегрирования.
Выполним интегрирование:	µ0 I
B =	µ0 I	(cosα1 −cosα2 ),				(3)
B =		(cosα1 −cosα2 ),				(3)
	4πr0

Заметим, что при симметричном расположении точки А относительно отрезка

провода cosα1 = −cosα2 .					С		учетом этого формула (3) примет вид
B =	µ0 I	cosα1 ,	(4)
B =		cosα1 ,	(4)
	2πr0
Из рис. 1 следует				l / 2			l
Из рис. 1 следует			cosα1 =	(l / 2)2 +r02		=	4r02 +l 2 .
Подставив выражение cosα1				в формулу (4), получим
			B = µ0 I	l	.		(5)
			2πr0	4r 2	+ l 2
				0

Произведя вычисления по формуле (5), найдем В=26,7 мкТл.

Направление вектора магнитной индукции В поля, создаваемого прямым током, можно определить по правилу буравчика (правилу правого винта). Для этого проводим магнитную силовую линию (штриховая линия на рис. 2) и по касательной к ней в интересующей нас точке провидим вектор В. Вектор магнитной индукции В в точке А (рис. 1) направлен перпендикулярно плоскости чертежа от нас.

Пример 2. Два параллельных бесконечно длинных провода D и С, по которым текут в одном направлении электрические токи силой I=60А, расположены на расстоянии d=10см друг от друга. Определить магнитную индукцию В поля, создаваемого проводниками с током в точке А (рис. 3), отстоящей от оси одного проводника на

расстоянии г1=5 см, от другого - r2= 12 см.

Р е ш е н и е. Для нахождения магнитной индукции B в точке А воспользуемся принципом суперпозиции магнитных полей. Для этого определим направления магнитных индукций В1 и В2 полей, создаваемых каждым проводником с током в отдельности, и сложим их геометрически:

1 / 71 2 3 4 5 6 7 > Следующая >>>