Общая физика (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию РФ

Карачаево-Черкесская государственная технологическая академия

Кафедра физики

ОБЩАЯ ФИЗИКА

ч. III, IV

Программа, методические указания и контрольные задания

для студентов – заочников

инженерно – технических специальностей

по курсу «Общая физика»

Черкесск, 2008

УДК _______

ББК ________

Рекомендовано к публикации кафедрой физики,

протокол № ___ от ________________________

Публикуется по решению учебно – методического совета КЧГТА, протокол № ________ от __________________

Составитель:

, к. п.н., доцент

Рецензенты:

, д. х.н., к. ф-м. н., профессор,

, к. ф-м. н., доцент.

Редактор: Куршев Оли Ибрагимович, к. ф-м. н., доцент.

Предисловие

Цель настоящего учебно-методического пособия – оказать помощь студентам – заочникам инженерно-технических специальностей высших учебных заведений в изучении курса физики.

Основной учебный материал программы курса в пособии распределен на шесть разделов. В каждом из них даны основные формулы, примеры решения задач, задачи для самостоятельного решения и контрольные задания и некоторые справочные таблицы.

В пособии учтены особенности учебных планов разных специальностей – различие в числе контрольных работ и во времени, отводимом для изучения курса физики. Дана таблица вариантов контрольных работ для студентов, выполняющих шесть контрольных работ.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Основной формой обучения студента-заочника является само­стоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедры физики вузов организуют чтение лекций, практические занятия и лабораторные работы. Поэтому процесс изучения физики состоит из следующих этапов:

1)  проработка установочных и обзорных лекций;

2)  самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;

3)  выполнение контрольных работ;

4) лабораторный практикум;

5)  зачеты и экзамены.

При самостоятельной работе над учебным материалом необходимо:

1)  составлять конспект, записывая в нем законы и формулы, выражающие эти законы, определения основных физических понятий и сущность физических явлений и методов исследования;

2)  изучать курс физики систематически, так как в противном случае материал будет усвоен поверхностно;

3)  пользоваться каким-то одним учебником или учебным пособием (или ограниченным числом пособий), чтобы не утрачивалась логическая связь между отдельными вопросами, по крайней мере внутри какого-то определенного раздела курса.

Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал курса. В процессе изучения физики студент должен выполнить шесть контрольных работ. Решение задач контрольных работ является проверкой степени усвоения студентом теоретического курса, а рецензии на работу помогают ему доработать и правильно освоить различные разделы курса физики. 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 методических указаний.

Шесть контрольных работ, предусмотренные учебными планами для инженерно-технических специальностей, распределены следующим образом: l, 2- физические основы механики, молеку­лярной физики и термодинамики; 3, 4 физические основы электродинамики; 5- волновая оптика, квантовая природа излучения; 6- элементы атомной, ядерной физики и физики твердого тела.

В данное пособие включены 5,6 контрольные работы для инженерно-технических специальностей.

Контрольные работы содержат десять задач. Вариант задания контрольной работы определяется в соответствии с последней цифрой шифра по таблице для контрольных работ. Если, например, последняя цифра 5, то в контрольных работах студент решает задачи 5, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75.

При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать сле­дующие правила:

1)  указывать на титульном листе номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес;

2)  контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;

3)  задачу своего варианта переписывать полностью, а заданные физические величины выписать отдельно, при этом все числовые величины должны быть переведены в одну систему единиц;

4)  для пояснения решения задачи там, где это нужно, аккуратно сделать чертеж;

5)  решение задачи и используемые формулы должны сопровождаться пояснениями;

6)  в пояснениях к задаче необходимо указывать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи;

7)  при получении расчетной формулы для решения конкретной задачи приводить ее вывод;

8)  задачу рекомендуется решить сначала в общем виде, т. е. только в буквенных обозначениях, поясняя применяемые при написании формул буквенные обозначения;

9)  вычисления следует проводить с помощью подстановки заданных числовых величин в расчетную формулу. Все необходимые числовые значения величин должны быть выражены в СИ ;

10) проверить единицы полученных величин по расчетной формуле и тем самым подтвердить ее правильность;

11) константы физических величин и другие справочные данные выбирать из таблиц;

12) при вычислениях, по возможности, использовать микрокалькулятор, точность расчета определять числом значащих цифр исходных данных;

13) в контрольной работе следует указывать учебники и учебные пособия, которые использовались при решении задач.

Контрольные работы, оформленные без соблюдения указанных правил, а также работы, выполненные не по своему варианту, не засчитывают.

При отправлении работы на повторное рецензирование обязательно представлять работу с первой рецензией.

Во время экзаменационно-лабораторных сессий проводятся лабораторные работы. Цель лабораторного практикума - не только изучить те или иные физические явления, убедиться в правильности теоретических выводов, приобрести соответствующие навыки в обращении с физическими приборами, но и более глубоко овладеть теоретическим материалом.

На экзаменах и зачетах в первую очередь выясняется усвоение основных теоретических положений программы и умение творчески применять полученные знания к решению практических задач. Физическую сущность явлений, законов, процессов следует излагать четко и достаточно подробно; решать задачи необходимо без ошибок и уверенно. Любая графическая работа должна быть выполнена аккуратно и четко. Только при выполнении этих условий знания по курсу физики могут быть признаны удовлетворительными.

ПРИМЕРНАЯ СХЕМА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Предложить единую схему решения задач невозможно. Однако можно рекомендовать определенную последовательность их решения.

Приступая к решению задач по какому-либо разделу, необходимо ознакомиться по учебной литературе и данному методическому пособию с конкретными физическими понятиями и соотношениями этого раздела. Разобрать приведенные в пособии примеры решения задач изучаемого раздела.

При решении задач целесообразно придерживаться следующей схемы:

1)  по условию задачи представьте себе физическое явление, о котором идет речь. Сделайте краткую запись условия, выразив исходные данные в единицах СИ;

2)  сделайте, где это необходимо, чертеж, схему или рисунок, поясняющий описанный в задаче процесс;

3)  напишите уравнения или систему уравнений, отображающие физический процесс;

4)  используя чертежи и условие задачи, преобразуйте уравнения так, чтобы в них входили лишь исходные данные и табличные величины;

5)  решив задачу в общем виде, проверьте ответ по равенству размерностей величин, входящих в расчетную формулу;

6)  осуществите вычисления и, получив числовой ответ, оцените его реальность.

Рабочая программа

III. ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН. Оптика

Понятие о колебательных процессах. Единый подход к колебаниям различной физической природы.

1. Кинематика гармонических колебаний

Амплитуда, круговая частота, фаза гармонических колебаний. Сложение скалярных и векторных колебаний. Комплексная форма представления колебаний. Векторные диаграммы.

2.Гармонический осциллятор

Маятник, груз на пружине, колебательный контур. Свободные затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент, добротность. Фазовая плоскость осциллятора. Изохронность. Энергетические соотношения для осциллятора. Понятие о связанных осцилляторах. Действие периодических толчков на гармонический осциллятор. Резонанс. Осциллятор как спектральный прибор. Фурье-разложение. Физический смысл спектрального разложения. Модулированные колебания. Спектр амплитудно-модулированного колебания. Вынужденные колебания осциллятора под действием синусоидальной силы. Амплитуда и фаза при вынужденных колебаниях. Резонансные кривые. Процесс установления колебаний. Время установления и его связь с добротностью. Вынужденные колебания в электрических цепях. Метод комплексных амплитуд.

Параметрические колебания осциллятора. Энергетические соотношения. Параметрический резонанс.

3.Ангармонические колебания

Нелинейный осциллятор. Физические системы, содержащие нелинейность. Автоколебания. Обратная связь. Понятие о релаксационных колебаниях.

4. Волновые процессы

Волны. Плоская стационарная волна. Плоская синусоидальная волна. Бегущие и стоячие волны. Фазовая скорость, длина волны, волновое число. Эффект Допплера. Скалярные и векторные волны. Поляризация. Интерференция синусоидальных волн. Распространение волн в средах с дисперсией. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью. Нормальная и аномальная дисперсии. Одномерное волновое уравнение. Продольные волны в твердом теле. Вектор Умова. Упругие волны в газах и жидкостях. Ударные волны. Плоские электромагнитные волны. Поляризация волн. Вектор Пойнтинга. Излучение диполя. Сферические и цилиндрические волны.

5. Интерференция

Интерференция монохроматических волн. Квазимонохроматические волны. Функция когерентности. Интерференция квазимонохроматических волн. Интерферометры. Временное и спектральное рассмотрение интерференционных явлений.

6. Дифракция волн

Принцип Гюйгенса — Френеля. Приближение Френеля. Интеграл и дифракция Френеля. Приближение Фраунгофера. Простые задачи дифракции: дифракция на одной и на многих щелях. Дифракционная решетка. Дифракция на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера и спектральное разложение. Дифракционная решетка с синусоидальной пропускаемостью. Принцип голографии.

7. Электромагнитные волны в веществе

Распространение света в веществе. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Поглощение света. Прозрачные среды. Поляризация волн при отражении. Элементы кристаллооптики. Электрооптические и магнитооптические явления.

8. Экспериментальное обоснование основных идей квантовой теории

Обоснование идей квантования (дискретности): опыты Франка и Герца, опыты Штерна и Герлаха, резонансы во взаимодействии нейтронов с атомными ядрами, пионов с нуклонами. Правило частот Бора. Линейчатые спектры атомов. Принцип соответствия.

9. Фотоны

Энергия и импульс световых квантов. Фотоэффект. Эффект Комптона. Образование и аннигиляция электронно-позитронных пар. Элементарная квантовая теория излучения. Вынужденное и спонтанное излучение фотонов. Коэффициенты Эйнштейна. Тепловое равновесие излучения.

ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН. ОПТИКА.

Пояснения к рабочей программе

При изучении темы «Колебания» следует параллельно рассмат­ривать механические и электромагнитные колебания, что способст­вует выработке у студента единого подхода к колебаниям различной физической природы. Здесь следует четко уяснить понятия фазы, разности фаз, амплитуды, частоты, периода колебаний, и там, где это необходимо, использовать графический метод представления гармонического колебания. Нужно уяснить, что любые колебания линейной системы всегда можно представить в виде суперпозиции одновременно совершающихся гармонических колебаний с различ­ными частотами, амплитудами и начальными фазами.

Изучение темы «Волны» целесообразно начинать с механических волн, распространяющихся в упругих средах. Здесь следует обра­тить внимание на картину мгновенного распределения смещений и скоростей в бегущей волне, различие между бегущей и стоячей вол­нами, зависимость фазовой скорости от частоты колебаний, найти связь между групповой и фазовой скоростями и показать их равен­ство в отсутствие дисперсии волн. Особое внимание студент должен уделить условию интерференции волн, энергетическому соотношению при интерференции волн, понять и объяснить перераспределение энер­гии при образовании минимумов и максимумов интенсивности. Пе­реходя к изучению электромагнитных волн, студенту следует ясно представить себе физический смысл уравнений Максвелла и, опираясь на них, рассмотреть свойства этих волн. Нужно четко представлять, что переменные электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, они поддерживают друг друга и могут существовать независимо от ис­точника, их породившего, распространяясь в пространстве в виде электромагнитной волны. Другими словами, электромагнитная вол­на — это распространяющееся в пространстве переменное элект­ромагнитное поле. Под энергией электромагнитного поля следует подразумевать сумму энергий электрического и магнитного полей. Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, яв­ляется колеблющийся электрический диполь. Следует помнить, что если диполь совершает гармонические колебания, то он излучает монохроматическую волну.

В настоящее время волновая оптика является частью общего учения о распространении волн. При изучении явлений интерфе­ренции и дифракции, объясняемых с позиций волновой природы света, студент должен обратить внимание на общность этих яв­лений для волн любой природы. Но световые волны имеют спе­цифические особенности, когерентность, монохроматичность, ко­торые обусловлены конечной длительностью свечения отдельного атома.

При изучении интерференции света особое внимание следует обратить на такие вопросы, как цвета тонких пленок, полосы рав­ной толщины и равного наклона. Следует помнить, что при интер­ференции света имеет место суперпозиция, связанная с перераспре­делением энергии, а не с взаимодействием волн.

Рассматривая явление дифракции, необходимо уяснить метод зон Френеля, уметь пользоваться графическим методом сложения ампли­туд, что будет способствовать пониманию дифракции на одной щели, дифракционной решетке. Кроме того, необходимо изучить дифрак­цию на пространственной решетке и уметь пользоваться формулой Вульфа — Брэгга, являющейся основной в рентгеноструктурном анализе, имеющем важнейшее практическое применение.

Изучение явлений интерференции и дифракции света должно подготовить студента к пониманию основ волновой (квантовой) ме­ханики и физики твердого тела.

Поперечность световых волн была экспериментально установле­на при изучении явления поляризации света, которое имеет боль­шое практическое применение. При изучении этого явления особое внимание следует обратить на способы получения поляризованного света и применение законов Брюстера, Малюса, на явление враще­ния плоскости поляризации в кристаллах и растворах, эффект Керра.

Изучая явление дисперсии света, необходимо уяснить сущность электронной теории этого явления, отличие нормальной дисперсии от аномальной.

Следует представлять, что при движении заряженных частиц в веществе в том случае, когда их скорость движения превышает фа­зовую скорость световых волн в этой среде, возникает излучение Вавилова - Черенкова, которое нужно рассматривать как класси­ческое явление.

Переход от классической физики к квантовой связан с пробле­мой теплового излучения и, в частности, с вопросом распределения энергии по частотам в спектре абсолютно черного тела. Изучая тему «Квантовая природа изучения», необходимо знать гипотезу План­ка о квантовании энергии осцилляторов и уяснить, что на основа­нии формулы Планка могут быть получены законы Стефана — Больцмана и Вина.

Развитие гипотезы Планка привело к созданию представлений о квантовых свойствах света. Кванты света получили название фо­тонов. С позиций квантовой теории света объясняются такие явле­ния, как фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. При изуче­нии фотоэффекта следует знать формулу Эйнштейна и на ее ос­нове уметь объяснить закономерности, установленные Столетовым.

Рассматривая эффект Комптона, необходимо обратить внима­ние на универсальный характер законов сохранения, которые ока­зываются справедливыми в каждом отдельном акте взаимодействия фотона с электроном.

Изучая световое давление, важно понять, что это явление может быть объяснено как на основе волновых представлений о свете, так и с точки зрения квантовой теории.

В итоге изучения этого раздела у студента должно сформировать­ся представление о том, что электромагнитное излучение имеет двой­ственную корпускулярно-волновую природу (корпускулярно-волновой дуализм). Корпускулярно-волновой дуализм является проявле­нием взаимосвязи двух основных форм материи: вещества и поля.

Контрольная работа № 5 построена таким образом, что дает возможность проверить знания студентов по разделу «Колебания. Волны. Оптика».

Задачи на гармонические колебания охватывают такие вопросы, как определение амплитуд скорости, ускорения и энергии, периода механических колебаний, силы тока, напряжения, энергии и час­тоты электромагнитных колебаний.

Волновые процессы представлены задачами, в которых опреде­ляются частота, длина, скорость распространения, энергия и объем­ная плотность энергии механических и электромагнитных волн.

Задачи по теме «Интерференция света» включают расчет интерфе­ренционной картины от двух когерентных источников, интерферен­цию в тонких пленках, полосы равной толщины и равного наклона.

Тема «Дифракция света» представлена задачами: зоны Френеля, дифракция в параллельных лучах на одной щели, на плоской и пространственной дифракционных решетках, разрешающая способ­ность дифракционной решетки.

Задачи по теме «Поляризация света» охватывают такие вопро­сы, как применение законов Брюстера, Малюса, определение сте­пени поляризации, вращение плоскости поляризации в растворах и кристаллах.

Тема «Распространение света в веществе» включает законы теплового излучения, фотоэффект, эффект Комптона, давление света.

основные формулы

Уравнение гармонического колебания где А-амплитуда колебания; ω - циклическая частота; ω0 - начальная фаза.
Период колебания маятников: пружинного физического где т - масса маятника; k- жест­кость пружины; J - момент инерции маятника; g-ускорение свободного падения; l-расстояние от точки подвеса до центра масс.
Период колебаний в электрическом ко­лебательном контуре где L- индуктивность контура; С - емкость конденсатора.
Уравнение плоской волны, распростра­няющейся в направлении оси Ох, где v - скорость распространения волны.
Длина волны где Т— период волны.
Скорость распространения электромаг­нитной волны где с - скорость света в вакууме; ε - диэлектрическая проницаемость сре­ды; μ - магнитная проницаемость.
Скорость распространения звука в газах где γ — отношение теплоемкостей газа, при постоянном давлении и объеме; R - молярная газовая постоянная; Т - термодинамическая температура; М - молярная масса газа.
Вектор Пойнтинга где Е и Н - напряженности электри­ческого и магнитного полей электро­магнитной волны.	р=Е х Н
Оптическая длина пути в однородной среде где s - геометрическая длина пути световой волны; n - показатель пре­ломления среды.
Оптическая разность хода где L1 и L2 оптические пути двух световых волн.
Условие интерференционного макси­мума и интерференционного минимума где λо - длина световой волны в ва­кууме.	, m=0,1,2,…. , m=1,2…
Ширина интерференционных полос в опыте Юнга где d-расстояние между когерент­ными источниками света; l - расстоя­ние от источников до экрана.
Оптическая разность хода в тонких пленках: в проходящем свете в отраженном свете где d-толщина пленки; n -показа­тель преломления пленки; i - угол падения света.
Радиусы светлых колец Ньютона в про­ходящем свете или темных в отра­женном и темных колец в проходящем свете или светлых в отраженном где R - радиус кривизны линзы; λ - длина световой волны в среде.
Радиусы зон Френеля для сферической волновой поверх­ности для плоской волновой поверхности где а-радиус волновой поверхности; b-кратчайшее расстояние от волно­вой поверхности до точки наблюдения.	m=1,2,…
Направление дифракционных максиму­мов от одной щели и дифракционных минимумов где а — ширина щели.	а sinφm=±(2m+1)λ/2, m=1,2,… asinφm=mλ, m=1,2, …
Направление главных максимумов диф­ракционной решетки где с - постоянная дифракционной решетки.	, m=0,1,2,…,
Разрешающая способность дифракцион­ной решетки где Δλ - минимальная разность длин двух волн, спектральных линий, раз­решаемых решеткой; т - порядок спектра; N - общее число щелей ре­шетки.
Формула Вульфа — Брэгга где d— расстояние между атомны­ми плоскостями кристалла; θ-угол скольжения рентгеновских лучей
Степень поляризации где Imах и Imin - максимальная и ми­нимальная интенсивность света.
Закон Брюстера где iо - угол Брюстера; n1 и n2 - по­казатели преломлений первой и вто­рой среды.
Закон Малюса где I0 и I - интенсивности плоско-поляризованного света, падающего и прошедшего через поляризатор; α-угол между плоскостью поляризации падающего света и главной плоско­стью поляризатора.
Угол поворота плоскости поляризации света в кристаллах и чистых жидкостях в растворах где φ0 - постоянная вращения; [φ0] - удельная постоянная вращения; с - концентрация оптически активного вещества в растворе; l-расстояние, пройденное светом в оптически ак­тивном веществе.
Фазовая скорость света где с - скорость света в вакууме; п - показатель преломления среды.
Дисперсия вещества
Групповая скорость света
Направление излучения Вавилова - Черенкова где v - скорость заряженной частицы.
Закон Стефана - Больцмана где R - энергетическая светимость черного тела; Т - термодинамическая температура тела; σ -постоянная Стефана - Больцмана.
Закон смещения Вина где - длина волны, на которую приходится максимум энергии излу­чения черного тела; b - постоянная Вина.
Давление света при нормальном паде­нии на поверхность где I - интенсивность света; ρ - ко­эффициент отражения; w - объемная плотность энергии излучения.
Энергия фотона где h — постоянная Планка; v - час­тота света.
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта где А - работа выхода электронов из металла; Tmax - максимальная кинети­ческая энергия фотоэлектронов.
Комптоновская длина волны частицы где т0 - масса покоя частицы; Е0 - энергия покоя частицы.
Изменение длины волны рентгеновско­го излучения при эффекте Комптона где λ и — длина волны падающего и рассеянного излучения; θ- угол рассеяния.

Примеры решения задач