Раздел 5. Волновая оптика. Квантовая физика

Министерство образования и науки Российской Федерации

Вологодский государственный университет

ФИЗИКА

Учебные материалы и задания контрольных работ

для студентов всех технических специальностей и направлений бакалавриата заочного отделения

Утверждено редакционно-издательским советом

в качестве учебного пособия

Вологда

2016

УДК

53.(07.072)

ББК 22.3я73

Ф 48

Рецензенты:

В.А. Горбунов, д-р физ.-мат. наук,

профессор Вологодского государственного университета;

А.Г.Дрижук, физ.-мат. наук, засл. учитель РФ,

Учитель физики Вологодского многопрофильного лицея

Ф 48    Физика. Учебные материалы и задания контрольных работ:учебное пособие / сост. С.К. Корнейчук, Л.А. Кузина, О.В. Калиничева, Ш.Р. Мелконян, О.Ю. Штрекерт. – Вологда: ВоГУ, 2016. – 136 с.

В пособии дано содержание курса физики, приведено краткое изложение теоретического материала (основные законы и понятия физики) и задания контрольных работ по всем разделам курса физики: «Физические основы механики», «Гидродинамика. Упругие свойства твёрдых тел. Молекулярная физика. Основы термодинамики», «Электростатика и постоянный ток», «Электромагнетизм», «Волновая оптика. Квантовая физика», «Статистическая физика. Физика твёрдого тела. Строение ядра».

Даны методические рекомендации к выполнению контрольных работ, требования к их оформлению, а также справочный материал.

Пособие рекомендуется студентам всех технических специальностей и направлений бакалавриата заочного отделения.

УДК 53.(07.072)

ББК 22.3я73

ВВЕДЕНИЕ

Курс общей физики студенты заочного отделения изучают на первом и втором курсах. Он включает в себя лекционные, практические и лабораторные занятия. Содержание курса изложено в рабочих программах. Рабочие программы курса составлены на основе требований Государственного стандарта для рассматриваемых специальностей. В программах указаны тематика лекций, темы практических занятий, список лабораторных работ.

Контроль знаний осуществляется при защите контрольных работ, в виде отчётов по проделанным лабораторным работам, а также в виде зачётов и экзаменов.

Учебное пособие содержит краткий теоретический курс общей физики, разработанный в соответствии с рабочими программами технических специальностей заочного отделения, список задач для каждой темы курса, справочные данные и библиографический список.

Необходимые материалы также имеются в библиотеке, на сайте кафедры физики www.physics.vstu.edu.ru и портале дистанционного образования ВоГУ http://do.vogu35.ru/ .

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Раздел 1. Физические основы механики

Кинематика поступательного и вращательного движения материальной точки. Динамика материальной точки. Законы Ньютона. Виды сил. Импульс. Закон сохранения импульса. Работа. Мощность. Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия; её связь с консервативной силой. Закон сохранения энергии.

Динамика вращательного движения. Момент силы. Момент инерции. Теорема Штейнера. Момент импульса. Основное уравнение динамики вращательного движения. Второй закон Ньютона для вращательного движения в импульсной форме. Закон сохранения момента импульса. Работа при вращательном движении. Кинетическая энергия твердого тела.

Понятие о колебательных процессах. Механические колебания. Смещение, скорость, ускорение материальной точки, совершающей гармонические колебания. Амплитуда. Период. Частота, циклическая частота. Маятники: физический, математический, пружинный и крутильный. Энергия гармонического осциллятора. Сложение гармонических колебаний. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний; затухающих колебаний. Коэффициент затухания, логарифмический декремент затухания, добротность колебательной системы. Вынужденные колебания. Резонанс.

Понятие волны. Продольные и поперечные волны. Уравнение волны. Скорость распространения волн.

Раздел 2. Гидродинамика. Упругие свойства твёрдых тел. Молекулярная физика. Основы термодинамики

Механика сплошных сред: давление, закон Паскаля, закон Архимеда. Идеальная жидкость. Уравнение неразрывности. Объёмный расход. Уравнение Бернулли. Течение вязкой жидкости. Закон Ньютона для вязкого трения. Формула Пуазейля. Закон Стокса. Ламинарное и турбулентное течение. Число Рейнольдса.

Упругие свойства твёрдых тел. Механическое напряжение. Относительная деформация. Коэффициент Пуассона. Закон Гука в локальной (дифференциальной) форме. Закон Гука для деформации сдвига, для деформации кручения. Потенциальная энергия и объёмная плотность энергии упруго деформированного тела.

Молекулярная физика. Основные понятия: относительная атомная масса, молекулярная масса, количество вещества, молярная масса, концентрация частиц. Закон Авогадро. Уравнение состояния идеального газа (уравнениеМенделеева-Клапейрона). Закон Дальтона.

Основы термодинамики. Термодинамический метод. Макроскопические параметры. Первое начало термодинамики. Теплоёмкость. Внутренняя энергия. Изопроцессы. Циклы. КПД тепловой машины. Обратимые и необратимые тепловые процессы. Тепловые двигатели. Цикл Карно. Второе начало термодинамики. Энтропия.

Раздел 3. Электростатика и постоянный ток

Электростатика. Электростатическое поле в вакууме. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность поля. Принцип суперпозиции. Поток вектора напряжённости. Теорема Остроградского – Гаусса. Напряжённость поля равномерно заряженных сферы, длинного цилиндра, плоскости. Работа сил поля. Теорема о циркуляции. Потенциал. Связь потенциала с напряженностью поля. Диполь, поле диполя, энергия диполя. Электрическое поле в диэлектриках. Поляризация диэлектриков, вектор поляризации. Виды поляризации диэлектриков. Вектор электростатической индукции (вектор электрического смещения). Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость. Проводники в электрическом поле. Конденсаторы. Электроёмкость. Энергия электрического поля. Объёмная плотность энергии.

Электрический ток и его характеристики: сила тока, плотность тока. Сопротивление, удельное сопротивление, удельная проводимость проводника. Закон Ома и закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Правила Кирхгофа. Классическая теория электропроводности металлов.

Раздел 4. Электромагнетизм

Магнитное поле и его характеристики. Вектор магнитной индукции, напряжённость магнитного поля. Магнитный момент. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции. Магнитное поле прямолинейного проводника с током, кругового витка, соленоида, поле движущегося заряда. Сила Ампера, сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Контур с током в магнитном поле. Циркуляция вектора магнитной индукции. Магнитное поле в магнетике. Молекулярные токи (микротоки). Намагниченность. Магнитная проницаемость. Виды магнетиков. Закон полного тока. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля, объёмная плотность энергии.

Понятие о теории Максвелла для электромагнитного поля. Ток смещения. Переходные процессы в электрических цепях. Квазистационарные токи. R-L-цепочка. Электромагнитные колебания и волны. Гармонические колебания в идеальном колебательном контуре. Затухающие колебания: дифференциальное уравнение, амплитуда и частота колебаний, логарифмический декремент, добротность.

Раздел 5. Волновая оптика. Квантовая физика

Волновые свойства света. Интерференция света, условия максимума и минимума. Способы наблюдения интерференции: опыт Юнга, интерференция в тонких плёнках, кольца Ньютона. Интерферометры. Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция на щели, на дифракционной решетке. Поляризация света, закон Малюса.

Квантовые свойства света. Тепловое излучение. Законы Кирхгофа, первый и второй законы Вина, закон Стефана-Больцмана. Квантовая гипотеза Планка. Энергия, масса, импульс фотона. Внешний фотоэффект, законы фотоэффекта. Давление света. Эффект Комптона. Опыт Франка и Герца.

Строение атома. Постулаты Бора. Спектр водородоподобного иона. Энергия и потенциал ионизации, потенциал возбуждения.

Волновые свойства частиц. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Описание состояния микрочастицы в квантовой механике. Волновая функция, её свойства и статистический смысл. Уравнение Шрёдингера, его применение. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д.И Менделеева.