Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
__________________
,
КРАТКИЙ КУРС ФИЗИКИ
Часть 3
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве программы и методических указаний по изучению курса «Физика» для студентов заочной формы обучения
Омск 2012
УДК 530.1(075.8)
ББК 22.3
К83
Краткий курс физики. Часть 3: Программа и методические указания по изучению курса «Физика» / , ; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. 41 с.
Методические указания содержат рабочую программу разделов «Волновая оптика», «Квантовая и атомная физика», «Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц», «Физика твердого тела» дисциплины «Физика» и краткое изложение основных вопросов этих разделов.
Приведены определения физических величин, их единицы измерения в СИ, основные законы физики.
Предназначены для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения.
Библиогр.: 12 назв. Рис. 10. Табл. 1.
Рецензенты: ;
доктор физ.-мат. наук, доцент Г. И. Косенко
________________________
© Омский гос. университет путей сообщения, 2012 ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.................................................................................................................5
1. Рабочая программа дисциплины «Физика»...................................................6
2. Волновая оптика...............................................................................................8
3. Квантовая и атомная физика ........................................................................15
4. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц ....................23
5. Физика твердого тела ....................................................................................28
Библиографический список................................................................................40
5.1. Волновая оптика......................................................................................6
5.2. Квантовая и атомная физика.................................................................6
5.3. Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц..............7
5.4. Физика твердого тела..............................................................................7
4 ВВЕДЕНИЕ
Волновая оптика, квантовая, атомная, ядерная физика и физика элементарных частиц, физика твердого тела являются завершаемыми разделами курса физики, которыми студенты заканчивают изучение этого предмета в ВУЗах.
Волновая оптика изучает оптические явления, в которых проявляется волновая природа света (дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация). Квантовая оптика изучает явления, в которых проявляются квантовые свойства света (тепловое излучение, фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и др.).
Физика атомов, молекул и их коллективов, в частности кристаллов, а также атомных ядер и элементарных частиц изучается в квантовой, атомной, ядерной физике, физике элементарных частиц и физике твердого тела. В основе квантовой физики лежат представления Планка о дискретном характере изменения энергии атомов, Эйнштейна о фотонах, данные о квантованности некоторых физических величин (например, импульса и энергии). Основополагающей в квантовой физике является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. Все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом.
В основных учебных пособиях [1 – 12] вопросы по изучению физики излагаются подробно, зачастую с громоздкими математическими выкладками, что существенно затрудняет самостоятельную работу студентов.
В методических указаниях даны рабочая программа разделов «Волновая оптика», «Квантовая и атомная физика», «Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц», «Физика твердого тела», определения физических понятий, кратко излагаются основные физические законы и закономерности физики, приводится запись этих законов в математической форме.
Данные методические указания помогут студентам в самостоятельном изучении курса физики в период экзаменационной сессии.
1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИКА»
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Показатель преломления света. Законы отражения и преломления света.
Полное внутреннее отражение. Дисперсия света и ее электронная теория.
Принцип суперпозиции волн. Монохроматичность и когерентность световых волн. Метод Юнга. Интерференция света от двух точечных источников.
Интерференция света в тонких пленках. Интерферометры.
Дифракция световых волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция света на круглом отверстии и диске. Дифракционная решетка.
Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Закон Малюса. Искусственная оптическая анизотропия.
КВАНТОВАЯ И АТОМНАЯ ФИЗИКА
Противоречия классической физики. Тепловое излучение и его основные законы. Энергетическая светимость. Поглощательная и излучательная способности. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина.
Формула Рэлея-Джинса. Квантовая гипотеза и формула Планка.
Корпускулярные свойства излучения. Фотоны. Энергия, импульс и масса фотона. Тормозное рентгеновское излучение. Фотоэффект и его основные законы. Уравнение Эйнштейна. Эффект Комптона. Давление света.
Гипотеза и формула де Бройля. Дифракция электронов. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Границы применимости классической механики.
Волновая функция и ее статистический смысл. Плотность вероятности. Уравнение Шредингера. Свободная частица. Туннельный эффект. Частица в "потенциальной яме". Квантование энергии и импульса частицы. Спектр энергий. Квантовый гармонический осциллятор. Нулевые колебания.
Атом водорода в квантовой механике. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации атома. Спектральные серии линий. Квантовые числа. Спин электрона. Правила отбора. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Периодическая система элементов Менделеева.
Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Инверсная населенность уровней. Лазер. Конструкция и принцип работы лазера. Свойства лазерного излучения. Практическое использование лазеров.
ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Заряд, размер и масса атомного ядра. Массовое и зарядовое числа. Состав ядра. Нуклоны. Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил. Дефект массы и энергия связи ядра. Удельная энергия связи.
Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.
Ядерные реакции и законы сохранения. Энергия реакции. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция деления. Атомный реактор. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций.
Элементарные частицы, их классификация и взаимные превращения. Типы фундаментальных взаимодействий. Лептоны, адроны, кварки и кванты фундаментальных полей – переносчиков взаимодействий. Частицы и античастицы.
Единая теория взаимодействий.
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Зонная теория твердых тел. Распределение электронов в кристалле по квантовым состояниям (распределение Ферми-Дирака). Металлы, диэлектрики и полупроводники.
Тепловые свойства кристаллов. Закон Дюлонга-Пти. Фононы. Распределение фононов по энергиям (распределение Бозе-Эйнштейна). Квантовая теория теплоемкости кристаллов. Теплопроводность твердых тел.
Электропроводность металлов. Зависимость сопротивления металла от температуры. Сверхпроводимость. Высокотемпературные сверхпроводники.
Собственные и примесные полупроводники. Проводимость полупроводников и ее температурная зависимость. Терморезисторы.
Фотопроводимость полупроводников. Красная граница фотопроводимости. Полупроводниковые фотоэлементы.
Контакт электронного и дырочного полупроводников. Полупроводниковый диод, транзистор.
Термоэлектронная эмиссия и ее практической применение. Контакт двух металлов. Термопара.
2. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
По электромагнитной теории свет – это электромагнитная волна, которая в вакууме движется со скоростью с = 3,0⋅108 м/с, а в любой другой прозрачной среде скорость ее меньше.
Физическая
скалярная величина, показывающая, во сколько раз скорость света в данной среде υ
меньше, чем в вакууме с, называется абсолютным показателем преломления среды
n c=υ.
Если луч света попадает на границу раздела двух сред с разными показателями преломления n1 и n2, то он частично отражается и частично преломляется.
При этом справедливы законы геометрической оптики:
− закон отражения: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости, и угол падения α равен углу отражения γ (α = γ);
− закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости, и
sinα
= n2 . (1) sinβ
n1
где β −угол преломления.
Из (1) следует, что если n2 >n1, то α> β всегда, значит, при этом всегда есть преломленный луч. А если n1 >n2, то β > α. Тогда при определенном угле падения α0 угол преломления может стать равным 90° (β = 90°), т. е. преломленного луча не будет, будет только отраженный.
Это явление называется полным внутренним отражением света, а угол падения α0 называют предельным углом полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения электромагнитного излучения нашло широкое применение в медицине, оптоволоконной связи и других областях.
Если на границу раздела двух сред направить электромагнитные волны
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.