Физика: Конспект лекций в форме презентаций. В двух частях. Часть II
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общая физика
Издательство:
Российский университет транспорта
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 176
Дополнительно
Пособие представляет собой конспект лекций по общей физике, включающий разделы: «Колебания», «Волны», «Электростатика», «Волновая и квантовая оптика», «Квантовая механика», «Физика твёрдого тела», «Ядерная физика и элементарные частицы». В основу конспекта положен материал лекций, которые авторы читают в РУТ (МИИТ) для студентов ИУИТ и ИТТСУ.
Конспект лекций предназначен для студентов специальностей и направлений ИУИТ, ИТТСУ, ИПСС.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 02.03.02: Фундаментальная информатика и информационные технологии
- 09.03.02: Информационные системы и технологии
- ВО - Специалитет
- 08.05.01: Строительство уникальных зданий и сооружений
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» Кафедра «Физика» В.А. НИКИТЕНКО, С.М. КОКИН ФИЗИКА Конспект лекций в форме презентаций В двух частях Часть II МОСКВА – 2018
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» Институт управления и информационных технологий Кафедра «Физика» В.А. НИКИТЕНКО, С.М. КОКИН ФИЗИКА Конспект лекций в форме презентаций В двух частях Часть II для студентов специальностей ИУИТ, ИТТСУ, ИПСС МОСКВА – 2018
УДК 53 Н62 Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика: Конспект лекций в форме презентаций. В двух ча- стях. Часть II. – М.: РУТ (МИИТ), 2018. – 176 с. Пособие представляет собой конспект лекций по общей физике, включающий разделы: «Колебания», «Волны», «Электростатика», «Волновая и квантовая оптика», «Квантовая ме- ханика», «Физика твёрдого тела», «Ядерная физика и элементарные частицы». В основу кон- спекта положен материал лекций, которые авторы читают в РУТ (МИИТ) для студентов ИУИТ и ИТТСУ. Конспект лекций предназначен для студентов специальностей и направлений ИУИТ, ИТТСУ, ИПСС. Рецензенты: - д. ф-м. н., профессор Г.П. Яблонский. Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси - к. ф.-м. н., доцент Е.К. Силина. РУТ (МИИТ) © РУТ (МИИТ), 2018
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие……………………………………………………………………………………………………………………….8 1 КОЛЕБАНИЯ ................................................................................................................................................................................ 9 1.1 Механические колебания ........................................................................................................................................................... 9 1.1.1 Периодические процессы. Уравнение гармонических колебаний ..................................................................... 9 1.1.2 Примеры собственных колебаний механических систем. Маятники ..............................................................11 1.1.3 Энергия гармонических колебаний ......................................................................................................................16 1.1.4 Затухающие колебания механических систем ....................................................................................................17 1.1.5 Вынужденные колебания механических систем .................................................................................................19 1.1.6 Автоколебательные механические системы .......................................................................................................21 1.2 Колебания в электрических цепях ...........................................................................................................................................22 1.2.1 Свободные колебания в контуре без активного сопротивления: R 0 ............................................................22 1.2.2 Свободные затухающие колебания в электрическом контуре ..........................................................................24 1.2.3 Вынужденные электрические колебания ............................................................................................................26 1.2.4 Электрические автоколебательные системы: ламповый генератор .................................................................30 1.2.5 Таблица сопоставления механических и электрических параметров колебательных систем……… ……. 31 1.3 Сложение гармонических колебаний ......................................................................................................................................32 1.3.1 Сложение двух одинаково направленных колебаний одной частоты ..............................................................32 1.3.2 Сложение колебаний одинакового направления с близкими частотами. Биения............ ............................ 33 1.3.3 Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу ............................................................34 1.4 Контрольные вопросы...............................................................................................................................................................35 2 УПРУГИЕ ВОЛНЫ ....................................................................................................................................................................38 2.1 Общие понятия ..........................................................................................................................................................................38 2.2 Уравнение бегущей волны .......................................................................................................................................................39 2.2.1 Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси x. Уравнение сферической волны .................39 2.2.2 Произвольное направление распространения плоской волны.. …………………………………………….. 40 2.2.3 Волновое уравнение ...............................................................................................................................................41 2.3 Скорость упругих волн в твердой среде .................................................................................................................................42 2.4 Энергия упругой волны................................................................................................................................................... 43
2.5 Интерференция волн .................................................................................................................................................................44 2.6 Эффект Доплера (в акустике) ...................................................................................................................................................48 2.7 Контрольные вопросы...............................................................................................................................................................49 3 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ........................................................................................................................................50 3.1 Уравнения Максвелла в интегральной форме ........................................................................................................................50 3.2 Уравнения Максвелла в дифференциальной форме ..............................................................................................................52 3.3 Следствия из уравнений Максвелла……………………………………………………………………………………….. 54 3.4 Энергия электромагнитной волны ...........................................................................................................................................55 3.5 Опыты Герца………………………………………………………………………………………….……………….. …….. 56 3.5.1 Вибратор Герца ......................................................................................................................................................56 3.5.2 Излучение диполя………………………………………………………………………………………………. 57 3.6 Шкала электромагнитных волн ...............................................................................................................................................59 3.7 Контрольные вопросы...............................................................................................................................................................60 4 ВОЛНОВАЯ ОПТИКА ..............................................................................................................................................................61 4.1 Вводные данные по оптике ......................................................................................................................................................61 4.2 Интерференция света ................................................................................................................................................................62 4.2.1 Общие понятия…………………………………………………………………………………………………. 62 4.2.2 Условия максимума и минимума при интерференции……………………………………………………… 63 4.2.3 Методы наблюдения интерференции света………………………………………………………………….. 64 4.2.4 Упрощённый расчёт интерференционной картины………………………………………………………….. 65 4.2.5 Интерференция в тонких плёнках ........................................................................................................................66 4.2.6 Применение интерференции .................................................................................................................................69 4.3 Дифракция света ........................................................................................................................................................................71 4.3.1 Общие представления.. ..........................................................................................................................................71 4.3.2 Метод зон Френеля ................................................................................................................................................72 4.3.3 Дифракция плоских волн на одной щели ............................................................................................................76 4.3.4 Дифракция света на двух щелях. Дифракционная решётка ..............................................................................77 4.3.5 Рентгеновские лучи и их дифракция ....................................................................................................................78 4.4 Дисперсия света .........................................................................................................................................................................79
4.4.1 Общие представления ............................................................................................................................................79 4.4.2 Фазовая и групповая скорости волн .....................................................................................................................80 4.5 Экстинкция света: поглощение и рассеяние света ................................................................................................................81 4.6 Естественный и поляризованный свет ....................................................................................................................................82 4.6.1 Общие представления. Закон Малюса .................................................................................................................82 4.6.2 Эллиптическая поляризация .................................................................................................................................84 4.6.3 Интерференция поляризованных лучей ..............................................................................................................85 4.6.4 Способы получения поляризованного света………………………………………………………………… 86 4.6.5 Искусственная оптическая анизотропия .............................................................................................................88 4.6.6 Вращение плоскости поляризации .......................................................................................................................90 4.6.7 Жидкие кристаллы .................................................................................................................................................91 4.7 Световод .....................................................................................................................................................................................92 4.8 Контрольные вопросы...............................................................................................................................................................93 5 КВАНТОВАЯ ОПТИКА ...........................................................................................................................................................96 5.1 Тепловое излучение тел ............................................................................................................................................................96 5.1.1 Общие понятия .......................................................................................................................................................96 5.1.2 Основные законы теплового излучения ..............................................................................................................98 5.2 Внешний фотоэффект .............................................................................................................................................................101 5.3 Энергия и импульс фотона. Давление света .........................................................................................................................102 5.4 Рассеяние рентгеновских лучей. Эффект Комптона ...........................................................................................................103 5.5 Атом водорода. Постулаты Бора ...........................................................................................................................................104 5.6 Взаимодействие излучения с атомами. Лазеры ...................................................................................................................105 5.7 Контрольные вопросы.............................................................................................................................................................106 6 КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ...................................................................................................................................................108 6.1 Гипотеза Луи де Бройля ..........................................................................................................................................................108 6.2 Опыт Дэвиссона и Джермера .................................................................................................................................................109 6.3 Соотношения неопределенностей Гейзенберга ...................................................................................................................110 6.4 Уравнение Шредингера. Волновая функция ........................................................................................................................112 6.5 Движение свободной микрочастицы .....................................................................................................................................115 6.6 Микрочастица в прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками .................................................117
6.7 Прохождение микрочастицы через потенциальный барьер ...............................................................................................120 6.8 Туннельный эффект ................................................................................................................................................................121 6.9 Линейный гармонический осциллятор .................................................................................................................................122 6.10 Уравнение Шредингера для водородоподобного атома ...................................................................................................123 6.11 Квантовые числа, характеризующие состояние электронов в атоме ..............................................................................124 6.11.1 Общие представления ........................................................................................................................................124 6.11.2 Спектр излучения атома водорода ...................................................................................................................125 6.11.3 Пространственное квантование ........................................................................................................................126 6.11.4 Собственный момент импульса (спин) ............................................................................................................127 6.11.5 Эффект Зеемана ..................................................................................................................................................128 6.11.6 Опыт Штерна и Герлаха ....................................................................................................................................129 6.11.6 Многоэлектронные атомы. Принцип запрета Паули .....................................................................................130 6.12 Элементы квантовой статистики .........................................................................................................................................131 6.12.1 Общие представления ........................................................................................................................................131 6.12.2 Функция распределения Ферми-Дирака ..........................................................................................................134 6.12.3 Функция распределения Бозе-Эйнштейна ......................................................................................................136 6.13 Контрольные вопросы. .........................................................................................................................................................137 7 ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА .................................................................................................................................................139 7.1 Связь атомов в молекулах и кристаллах ...............................................................................................................................139 7.2 Кристаллические решётки ......................................................................................................................................................140 7.2.1 Типы кристаллических решёток .........................................................................................................................140 7.2.2 Аллотропия ...........................................................................................................................................................140 7.3 Дефекты кристаллической структуры...................................................................................................................................141 7.4 Колебания кристаллической решетки. Фононы ...................................................................................................................142 7.5 Энергия электронов в кристаллах. Зонная теория ...............................................................................................................143 7.6 Движение электронов в кристалле под действием электрического поля. Эффективная масса ......................................144 7.7 Понятие о дырках. Собственный и примесный полупроводник ........................................................................................145 7.8 Электропроводность твёрдых тел ..........................................................................................................................................147 7.9 Эффект Холла ..........................................................................................................................................................................148 7.10 Сверхпроводимость ...............................................................................................................................................................149
7.11 Контактные явления. Pn-переход ......................................................................................................................................150 7.12 Поглощение света и люминесценция в кристаллах ...........................................................................................................151 7.13 Фотоэффект в pn-переходе .................................................................................................................................................152 7.14 Твердотельные лазеры ..........................................................................................................................................................153 7.15 Контрольные вопросы. .........................................................................................................................................................154 8 ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА ................................................................................................................................................................156 8.1 Общие представления .............................................................................................................................................................156 8.2 Ядерные силы ..........................................................................................................................................................................157 8.3 Основы ядерной энергетики ...................................................................................................................................................159 8.4 Явление радиоактивности ......................................................................................................................................................160 8.5 Эволюция звёзд ........................................................................................................................................................................162 8.6 Контрольные вопросы.............................................................................................................................................................163 9 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ............................................................................................................................................164 9.1 Классы фундаментальных взаимодействий .........................................................................................................................164 9.2 Основные свойства элементарных частиц ............................................................................................................................166 9.3 Лептоны ....................................................................................................................................................................................168 9.4 Адроны .....................................................................................................................................................................................170 9.5 Кварки .......................................................................................................................................................................................172 9.6 Контрольные вопросы.............................................................................................................................................................174 ЛИТЕРАТУРА .............................................................................................................................................................................175
Предисловие Настоящий конспект лекций по физике не обычен, он подготовлен в форме набора презентаций. По сути это «ске- лет» лекций, каждая страница которого соответствует кадру, выводящемуся на экран в аудитории и подробно обсуждае- мому и дополняемому преподавателем за время занятия. В процессе лекции и при дальнейшей самостоятельной работе с литературой этот «скелет» обрастает подробностями, формирующими конкретный конспект отдельного студента. Такой развернутый («обросший» иллюстрациями и красивыми заставками) конспект, подготовленный к экзамену (часто – в электронной форме), по сути, представляет собой «лицо» конкретного студента. В качестве вспомогательной литерату- ры можно использовать имеющиеся в библиотеке университета учебники, а также – более подробные конспекты лекций по всему курсу общей физики, изданные авторами в МИИТ: 1. Кокин С.М. Физика. Конспект лекций – часть 1. – М.: МИИТ. – 2010. 2. Кокин С.М., Никитенко В.А. Физика. Конспект лекций – часть 2. – М.: МИИТ. – 2013. 3. Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика. Конспект лекций – часть 3. – М.: МИИТ. – 2007, 2017. 4. Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика: конспект лекций в форме презентаций. В двух частях. Часть I. – М.: МГУПС (МИИТ), 2014. С тем, чтобы учащиеся могли проконтролировать свои знания, авторы рекомендуют выполнять контрольные зада- ния и отвечать на вопросы, изложенные в конце каждого раздела. Конспект не является самодостаточным изданием, он не заменяет «живого» общения с преподавателем и восприя- тия лекций на слух, но помогает сэкономить время на лекциях при записи основных идей курса, при создании графиков, рисунков и т. д. Для успешного освоения дисциплины, конечно же, необходимо посещать сами занятия (сопровождаю- щиеся реальными физическими экспериментами и мультимедийными демонстрациями), выполнять лабораторные рабо- ты, решать задачи. Если же говорить шире – будущим бакалаврам и специалистам полезно знакомиться с достижениями современной науки: по научно-популярной литературе, по журналам, интернет-публикациям, по материалам, имеющим- ся в библиотеке и фильмотеке Дома физики РУТ (МИИТ). Предполагается, что электронная форма данного конспекта лекций будет постоянно обновляться, но его основа со- хранится, и будет представлять собой удобную авторскую форму общения со студентами. Отдавая себе отчёт в том, что первое издание конспекта лекций не лишено недостатков, авторы с благодарностью примут все пожелания и замечания. Просим направлять их по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, РУТ (МИИТ), кафедра «Физика» или fizikamiit@mail.ru. Авторы
1 КОЛЕБАНИЯ 1.1 Механические колебания 1.1.1 Периодические процессы. Уравнение гармонических колебаний (1.1) (1.2) (1.4) a (1.3) Рис. 1.1 Периодические колебания Рис. 1.2 Гармонические колебания T – период колебаний [с] [с -1 = Гц] – частота колебаний Гармонические колебания, происходящие вдоль оси X, описываются уравнениями:
Рис. 1.3 Метод векторных диаграмм Движение любой сложной системы можно представить суперпозицией более простых движений, происходящих одновременно и называемых «модами» Проекция вектора A на ось Y совершает гармонические колебания: Гармонические колебания можно изобразить графически с помощью вектора A , вращающегося на плоскости с постоянной скоростью 0 Проекция вектора A на ось X совершает гармонические колебания: 0 0t 0
1.1.2 Примеры собственных колебаний механических систем. Маятники Пружинный маятник – груз массой m, подвешенный на абсолютно упругой пружине и совершающий гармонические колебания под действием упругой силы F kx (здесь k – жёсткость пружины). Потенциальная энергия Кинетическая энергия Второй закон Ньютона: mx kx (1.5), то есть x m k x 0 (1.6), T0 0 2 2 k m (1.7) 0 2 Рис. 1.4
(1.8) (1.9) (1.10) Рис. 1.5 𝑥 = 𝐴 𝑐𝑜𝑠 ( 𝜔0𝑡 + 𝜑0) Скорость по фазе опережает смещение на . Ускорение и смещение находятся в противофазе: Если t 0, то: 0 Рис. 1.5
Для момента силы тяжести , используя основной закон динамики вращательного движения, запишем: (1.11) ; если , max sin(0t ); (1.12) Формула Гюйгенса Математический маятник – материальная точка, подвешенная на нерастяжи- мой невесомой нити и колеблющаяся под действием силы тяжести. В крайнем положении: В промежуточной точке: В нижней точке: Рис. 1.6 Христиан Гюйгенс 1629-1695
(1.13) Рис. 1.7 Физический маятник – твердое тело, совершающее под действием силы тя- жести, колебания вокруг неподвижной горизонталь- ной оси, проходящей через точку О, не совпадаю- щую с центом масс В тела. и При малых колебаниях: и По теореме Штейнера: точка О′ – точка качания (центр качания)