- •Тема 1. Вступ. Кінематика поступального руху.
- •Вступ. Кінематика поступального руху (2 год.)
- •1. Основні поняття механіки.
- •2. Радіус-вектор. Переміщення. Траєкторія. Пройдений шлях.
- •Тема 2. Кінематика обертального руху. Кінематика обертального руху (2 год.)
- •Основні поняття кінематики обертального руху.
- •Основні елементи кінематики рівномірного обертального руху
- •Обертального руху:
- •Обертальний рух:
- •Повне прискорення матеріальної точки, що виконує
- •Момент сили, що діє на і-ту матеріальну точку:
- •Тема 3. Динаміка поступального руху матеріальної точки.
- •Основні поняття динаміки поступального руху матеріальної точки і твердого тіла:
- •Перший закон Ньютона і поняття інерціальної системи відліку
- •Другий закон Ньютона
- •Третій закон Ньютона
- •Закон збереження імпульсу механічної системи
- •Теорема про рух центра мас механічної системи:
- •Тема 4. Закони збереження в механіці. Закони збереження енергії та імпульсу в механіці (2 год.)
- •Тема 5. Динаміка обертального руху. Динаміка обертального руху. (2 год.)
- •Рівняння динаміки обертального руху
- •4.8. Момент імпульсу і момент інерції
- •4.9. Момент сили і момент інерції
- •4.10. Момент інерції геометричного тіла
- •4.11. Теорема Штейнера. Закон додавання моментів інерції
- •4.12. Закон збереження моменту імпульсу
- •2). Приклади виконання закону збереження моменту імпульсу
- •4.13. Кінетична енергія тіла, що обертається
- •Тема 6.Механічний принцип відносності. Механічний принцип відносності. (2 год.)
- •Перетворення Галілея та механічний принцип відносності
- •Механічний рух. Система відліку. Відносність руху. Матеріальна точка. Траєкторія. Шлях і переміщення. Швидкість. Додавання швидкостей. Прискорення.
- •Рівномірний рух
- •Рівноприскорений рух
- •Рівномірний рух по колу. Період і частота. Лінійна і кутова швидкості. Доцентрове прискорення.
- •Перший закон Ньютона.Інерціальна система відліку. Принцип відносності Галілея.
- •Принцип відносності у класичній механиці (прнцип Галілея):
- •Принцип відносності Енштейна:
- •Маса. Сила. Додавання сил. Другий закон Ньютона.Третій закон Ньютона.
- •Гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння. Рух тіла з початковою швидкістю під дією сили тяжіння.
- •Закон пружних деформацій (закон Гука)
- •Тема 7. Елементи релятивістської динаміки. Елементи релятивістської динаміки (2 год.)
- •Тема 8. Електростатичне поле. Електростатичне поле (2 год.)
- •Електростатичне поле
- •Гравітаційне поле та його характеристики. Зв’язок напруженості поля з його потенціалом:
- •Тема 9. Провідник в електричному полі. Провідник в електричному полі (2 год.)
- •Розподіл заряду в провіднику. Зв'язок між напруженістю поля в поверхні провідника й поверхневою густиною заряду
- •§2 Електроємність провідників. Конденсатори
- •3 Енергія електростатичного поля
- •3. Енергія зарядженого конденсатора.
- •Основні формули
- •Тема 10. Постійний електричний струм.
- •Постійний електричний струм (2 год)
- •1. Пості́йний струм, його джерела
- •2. Машини постійного струму
- •4. Закон Ома для замкнутого кола.
- •Тема 11. Електричний струм в рідинах і в газах Електричний струм в рідинах та газах (2 год)
- •Тема 12. Магнітне поле у вакуумі. Магнітне поле у вакуумі . (2 год.)
- •Потенціал електричного поля. Напруженість як градієнт потенціалу
- •Напряженность вихревого поля внутри свернутого соленоида
- •Токовый дипольный момент тороида
- •Тороид – основа самоорганизации движения материи
- •Основні формули
- •Тема 13.Явище електромагнітної індукції. Явище електромагнітної індукції (2 год.)
- •Тема 14. Магнітне поле в речовині. Магнітне поле в речовині (2 год.)
- •§1 Феромагнетики
- •§2 Магнітні властивості атомів
- •§3 Діамагнетизм
- •§4 Парамагнетизм
- •Рівняння електродинаміки в диференціальній формі
- •Сгсг ]у вакуумі
- •У середовищі
- •Пояснення
- •[Ред.]Історична довідка
- •Неінваріантність відносно перетворень Галілея
- •Тема 15. Коливання та хвилі Коливання та хвилі (2 год)
- •Коливальний рух. Математичний та пружинний маятники
- •Тема 16. Складання коливань Складання коливань (2 год)
- •Тема 17. Загасаючі коливання Загасаючі коливання (2 год)
- •Тема 18. Вимушені механічні та електромагнітні коливання Вимушені механічні та електромагнітні коливання (2 год)
- •Тема 19. Хвилі Хвилі (2 год)
- •Утворення хвиль в пружному середовищі. Поздовжні і поперечні хвилі. Рівняння біжучої хвилі
- •Тема 20. Фазова і групова швидкість хвилі. Вектор Пойгтінга. Фазова і групова швидкість хвилі. Вектор Пойгтінга (2 год)
- •Тема 21. Електромагнітні хвилі Електромагнітні хвилі (2 год)
- •Сгсг у вакуумі
- •У середовищі
- •Пояснення
- •Історична довідка
- •Неінваріантність відносно перетворень Галілея
- •Енергія електромагнітної хвилі. Густина потоку випромінювання
- •Експеримент:
- •Класифікація радіохвиль по видах, довжині, частотах. Галузі застосування радіохвиль
- •Розповсюдження радіохвиль
- •Закріплення матеріалу
- •Тема 22. Геометрична оптика Геометрична оптика (2 год.)
- •Тема 23. Хвильова оптика. Інтерференція світла. Хвильова оптика. Інтерференція світла (2 год.)
- •Тема 24. Дифракція світла
- •Дифракція світла (2 год.)
- •Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция света
- •4.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске
- •4.3.1. Дифракция Френеля на круглом отверстии
- •Тема 24. Ди Дифракционная решетка
- •4.8. Понятие о голографии
- •Тема 25. Поляризація світла.
- •Поляризація світла (2 год.)
- •Поляризация при отражении и преломлении Закон Брюстера
- •Подвійне променезаломлення
- •Тема 26. Квантова оптика
- •Квантова оптика (2 год.)
- •Теплове випромінювання та його рівноважність
- •18.2. Закони теплового випромінювання
- •18.2. 1. Закон Кірхгофа.
- •18.2. 2. Закон Cтефана-Больцмана.
- •18.2. 3. Закон випромінювання Віна.
- •18.2. 4. Закон зміщення Віна.
- •18.2. 5. Формула Релея - Джінса
- •18.2. 6. Гіпотеза та формула Планка
- •18.3. Розрахунок сталих Стефана - Больцмана та Віна за допомогою формули п ланка
- •Тема 27. Елементи квантової механіки.
- •Елементи квантової механіки (2 год.)
- •Співвідношення невизначеностей як прояв корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей матерії. Обмеженість механічного детермінізму
- •Тема 28. Рівняння Шредінгера
- •Рівняння Шредінгера (2 год.)
- •Незбуреному стану частинки відповідає енергія
- •Тема 29. Фізика атомів і атомних ядер.
- •Фізика атомів і атомних ядер (2 год)
- •Тема 30. Періодична система елементів.
- •Періодична система елементів (2 год)
- •Тема 31. Атомне ядро.
- •Атомне ядро (2 год)
- •Радіоактивність. Основний закон радіоактивного перетворення атомних ядер
- •20.11. Реакції поділу урану та ядерна енергетика
- •20.12. Реакції синтезу ядер та термоядерна енергетика
- •Реакція синтезу атомних ядер. Проблема керованих термоядерних реакцій
- •Тема 32. Основи статистичної фізики.
- •Основи статистичної фізики (2 год.)
- •Статистична фізика
- •Процеси нерівноважної термодинаміки
- •Основні поняття термодинаміки
- •Термодинамічні потенціали
- •Спряжені термодинамічні змінні
- •Диференціали від термодинамічних потенціалів
- •Фазові перетворення
- •Абсолютна шкала температур
- •Рівноважне випромінювання
- •Нерівноважна термодинаміка
- •Лінійна нерівноважна термодинаміка
- •Відкриті системи далекі від рівноваги
- •Тема 33. Функція розподілу.
- •Функція розподілу (2 год.)
- •Тема 34. Кінетична теорія газів.
- •Кінетична теорія газів (2 год.)
- •Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії
- •Середня кінетична енергія молекул. Молекулярно-кінетичне трактування абсолютної температури
- •Тема 35. Основи термодинаміки.
- •Основи термодинаміки (2 год.)
- •1 Та 2 закони термодинаміки
- •Цикл карно. Ентропія. Реальні гази Основні формули
- •Тема 36. Елементи фізики твердого тіла.
- •Основи фізики твердого тіла (2 год.)
- •Енергія коливань і теплоємність кристалічної решітки
- •4.1. Модель Ейнштейна
- •4.2. Модель Дебая
- •Тема 37. Поняття про зонну теорію твердих тіл.
- •Поняття про зонну теорію твердих тіл (2 год.)
- •Тема 38. Власна провідність напівпровідників.
- •Власна провідність напівпровідників (2 год.)
- •Тема 39. Домішкова провідність напівпровідників.
- •Домішкова провідність напівпровідників (2 год.)
- •1. Механізм електричної провідності напівпровідників
- •1.2. Енергетичні зони
- •1.3. Рухливість
- •2. Власна щільність
- •3. Види напівпровідників
- •3.1. За характером провідності
- •3.1.1. Власна провідність
- •3.1.2. Домішкова провідність
- •3.2. По виду провідності
- •3.2.1. Електронні напівпровідники ( n-типу)
- •3.2.2. Діркові напівпровідники ( р-типу)
- •Тема 40. Елементи квантової теорії електропровідності металів. Елементи квантової теорії електропровідності металів (2 год)
- •Ефект Пельтьє
- •Відкриття ефекту Пельтьє
- •Пояснення ефекту Пельтьє
- •Застосування ефекту Пельтьє Модулі Пельтьє
- •Тема 41. Випрямлення на контакті метал-напівпровідн Випрямлення на контакті метал-напівпровідник (2 год)
- •Эффект Шоттки
- •Тема 42. Напівпровідникові діоди та транзистори.
- •Напівпровідникові діоди та транзистори (2 год)
- •Коливань решітки, згідно квантової механіки, можна зіставити квазічастинки - фонони. Кожному коливан Напівпровідниковий діод
- •4.2. Транзистор
- •5. Типи напівпровідників в періодичній системі елементів
- •6. Фізичні властивості і застосування
Тема 26. Квантова оптика
Мета: Визначити
закони внутрішнього та зовнішнього
фотоефектів.
План
Корпускулярно-хвильовий
дуалізм.
Закони теплового
випромінювання.
Фотоефект.
Розподіл енергії
в спектрі абсолютно чорного тіла.
Гіпотеза і формула Планка.Квантова оптика (2 год.)
Література: [1], [2], [3], [5], [6],
[7], [8], [10] – основна; [2], [5] – додаткова.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм
У XX ст. фізики переконалися в тому, що атомні явища не можуть бути описані ні як рух частинок, ні як чисто хвильові процеси. Одні і ті ж об'єкти мікросвіту в одних умовах поводяться як частинки, в інших проявляють типово хвильові властивості. Так, в явищах дифракції, інтерференції і інших чітко виявляється хвильова природа світла. В той же час у фотоелектричних явищах, ефекті Комптона і багатьох інших світло поводиться як частинки (корпускули), що мають енергію
(3.1)
і імпульс
p=h/l, (3.2)
де — постійна Планка; .
Частинки світла одержали назву фотонів (photon).
У 1924 р. де Бройль виcунув гіпотезу, що подвійність хвиль і корпускул, властива світлу, повинна існувати і у інших частинок – електронів, протонів, атомів і т. д. Мікрочастинці, яка має енергію Е і імпульс р, повинна відповідати хвиля з частотою
або (3.3)
і завдовжки
l=h/p=h/mn, (3.4)
де V – швидкість руху частинки. Ці хвилі називають часто хвилями де Бройля, а співвідношення (3.3) і (3.4) – співвідношеннями
де Бройля.
Гіпотеза де Бройля (hypothesis de Broyle) піддавалася ретельній багатократній перевірці і одержала таке переконливе експериментальне підтвердження, що в наш час не викликає сумнівів. На хвильових властивостях мікрочастинок грунтуються електронна мікроскопія, електронографія, нейтронографія і т.д.
Таким чином, мікрочастинка, чи то електрон, протон, атом, не є дробинкою, зменшеною до відповідних розмірів. За оберненим виразом Ланжевена, об'єктивний світ не повинен бути подібним вставним «матрьошкам» однакової форми і відмінним одна від одної тільки величиною. Перехід від об'єктів макроскопічних до об'єктів мікросвіту приводить до якісних змін, до появи нових властивостей, не властивих макроскопічним тілам. Такою новою, якісно відмінною ознакою мікрочастинок є органічне поєднання в них корпускулярних і хвильових властивостей.
Абсолю́тно чо́рне ті́ло — фізична абстракція, що вживається у термодинаміці; тіло, яке цілком поглинає проміння (всіх довжин хвиль), що падає на нього. Не зважаючи на назву, абсолютно чорне тіло може випускати теплове випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла визначається тільки йоготемпературою. Практичною моделлю чорного тіла може бути порожнина з невеликим отвором і зачорненими стінками, оскільки світло, що потрапляє крізь отвір в порожнину, зазнає багатократних віддзеркалень і сильно поглинається. Глибокий чорний колір деяких матеріалів (деревного вугілля, чорного оксамиту) і зіницілюдського ока пояснюється тим же механізмом.
Термін введений Густавом Кірхгофом у 1862 році.
|
Закон випромінювання Планка
Детальніше: Закон випромінювання Планка
Інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла залежно від температури й частоти визначається законом Планка:
де — потужність випромінювання на одиницю площі поверхні випромінювання на одиницю тілесного кута у діапазоні частот від до
Закон Стефана-Больцмана
Детальніше: Закон Стефана-Больцмана
Загальна енергія теплового випромінювання визначається законом Стефана—Больцмана:
,
де — потужність на одиницю площі поверхні випромінювання, а
Вт/(м2·К4) — стала Стефана—Больцмана.
Закон зсуву Віна
Детальніше: Закон зсуву Віна
Довжина хвилі, при якій енергія випромінювання максимальна, визначається законом зсуву Віна:
де T — температура в кельвінах, а — довжина хвилі з максимальною інтенсивністю у метрах.
Видимий колір абсолютно чорних тіл з різною температурою представлений на діаграмі праворуч.
Виготовлення тіла
Рух променів світла в абсолютно чорному тілі
Штучно можна виготовити практично абсолютно чорне тіло, вичорнивши внутрішню поверхню нагрітого до певної температури непрозорого тіла з порожниною і малим отвором. Всякий промінь, проходячи крізь отвір А у порожнину С, назад практично не виходить, бо зазнає багаторазового відбиття і поглинання. Отже, отвір А поглинає проміння так, як абсолютно чорне тіло.
Слід відзначити, що геометричні розміри абсолютно чорного тіла накладають природні обмеження на довжину електромагнітної хвилі, що може розповсюджуватися в ньому. Дійсно, якщо довжина хвилі більша за розміри чорного тіла, то вона в ньому просто не зможе відзеркалюватись від стінок. Цей факт особливо важливий в космології, при моделюванні Всесвіту, у вигляді абсолютно чорного тіла на ранніх етапах розвитку, особливо при розгляді реліктового випромінювання.
Використання в фізиці
Поняттям абсолютно чорного тіла широко користуються в астрофізиці. Випромінювання Сонця близьке до випромінювання такого тіла з температурою 6000К. Увесь Всесвіт пронизаний так званим реліктовим випромінюванням, близьким до випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 3К. Порівняння повного випромінювання зірок з випромінюванням такого тіла, дозволяє наближено оцінити ефективну температуру зірки. Відхилення випромінювання зорі від випромінювання абсолютно чорного тіла часто буває досить помітним. У глибині Сонця та зірок, нагрітих до десятків мільйонів градусів, випромінювання з високою точністю відповідає такому випромінюванню.
Для практичної реалізації моделі абсолютно чорного тіла необхідно забезпечити можливість рівномірного нагрівання стінок порожнини та вихід випромінювання назовні через малий отвір. Одним із перших експериментальних взірців чорного тіла був прилад виготовлений Люммером та Прінгсгеймом. Він являв собою металічну посудину з подвійними стінками (подібно до термостата). Простір між стінками використовувався в якості «температурної лазні» для підтримування певної та рівномірної температури. Це досягалося шляхом пропускання пару киплячої води або для низьких температур — шляхом наповнення льодом, твердою вуглекислотою, рідким повітрям тощо.
Для дослідження випромінювання при високих температурах використовувалося чорне тіло іншої конструкції. Циліндр із платинової жерсті, через який подаєтьсяелектричний струм, потрібен для рівномірного нагрівання внутрішнього порцелянового циліндра. Температура всередині циліндра вимірювалась термопарою, а діафрагмизапобігали охолодженню проникаючим повітрям.
За допомогою подібних простих приладів — моделей чорного тіла, були експериментально досліджені закони випромінювання, точно визначені його константи та вивчено спектральний розподіл яскравості.
Закони фотоефекту.
Сила фотоструму насичення прямопропорційна падаючому на електрод світловому потоку.
Ін Ф
Щоб струм не протікав, потрібно прикласти затримуючу (гальмуючу) напругу, за якою можна визначити кінетичну енергію фотоелектронів.
еUз =
Змінюючи частоту подаючого світла, Столєтов визначив кінетичну енергію фотоелектронів і встановив другий закон:
Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
Найменша частота хвилі, при якій ще можливий фотоефект, наз. червоною межею фотоефекту. Або:
Найбільша довжина хвилі, при якій ще можна спостерігати фотоефект, наз. червоною межею фотоефекту.
Третій з-н фотоефекту:
Поріг фотоефекту (червона межа) визначається тільки матеріалом електрода і не залежить від інтенсивності випромінювання.
3. Явище фотоефекту і його закони пояснюється квантовою теорією.
Енергія кварта, яка починається тілом, йде н роботу щодо виривання електрона (А6) і надання йому кінетичної енергії (Ек)
Е=А6+Ек
h λ=Ав + - р-ня Ейнштейна
Для кожної речовини існує найменша частота λmin, при якій ще можливий фотоефект V=0,
λ min = А – умова фотоефекту.
λ Λmin = - червона межа фотоефекту
h = 0,63 . 10-34 Дж.с.
5. Генерація вільних носіїв зарядів у напівпровіднику, яка відбувається внаслідок опромінення напівпровідника, наз. внутрішнім фотоефектом.
При зовнішньому фотоефекті ел-ни вириваються з речовини, а при внутрішньому залишаються всередині неї.
У деяких н/п внутр.фотоефект створється інфрачервоними променями, що має важливе значення для практики. Додаткова провідність н/п, зумовлена опроміненням, наз.фотопровідністю.
Внутрішній фотоефект використано в будові фото опорів і фотоелементів.
1 е В = 1,6 .10-19 Дж
h = 4,1.10-15 еВ .С