Название: Программа курса физики (В.К. Черепанова)

Жанр: Технические

Просмотров: 1501


6.  квантовая физика

(14 часов)

 

Противоречия классической физики. Экспериментальное обоснование идей квантовой теории.

6.1. Тепловое излучение. Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Законы теплового излучения черного тела. Закон Стефана–Больцмана и закон Вина. Формула Рэлея–Джинса. Гипотеза Планка. Формула Планка.

6.2. Фотоны. Фотоэлектрический эффект. Законы и квантовая теория внешнего фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Фотоны. Эффект Комптона. Энергия и импульс световых квантов. Корпускулярно-волновая двойственность (дуализм) свойств света.

6.3. Элементы квантовой механики. Корпускулярно-волновая двойственность (дуализм) свойств частиц вещества. Гипотеза

де Бройля. Свойства волн де Бройля. Соотношение (принцип) неопределенностей Гейзенберга. Волновая функция и ее статистический смысл. Временное уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера. Движение свободной квантовой частицы. Частица в одномерной потенциальной яме («ящике»). Квантование энергии. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Гармонический осциллятор.

6.4. Атом. Водородоподобная система в квантовой механике. Испускание и поглощение света атомом водорода. Спин электрона. Принцип Паули. Многоэлектронные атомы. Структура электронных уровней в сложных атомах. Периодическая система элементов Менделеева. Лазеры.

6.5. Молекула. Молекула. Виды связей в молекуле. Механизм образования связей. Энергетические уровни молекул. Молекулярные спектры (электронные, колебательные, вращательные).

 

Литература:

 

Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М., 1991.

Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М., 1999.

Савельев И.В. Курс общей физики.– М., 1987. – Т. 1, 2.

Барановский С.Н., Болдарев А.М. и др. Механика. Электричество. Магнетизм: Учеб. пособие. – Новосибирск: НГТУ, 1995.

Баранов А.В., Невская Г.Е. и др. Колебания и волны. Оптика. Квантовая механика: Учеб пособие. – Новосибирск: НГТУ, 1994.

Баранов А.В., Березиков Д.Д. и др. Атомы и молекулы. Основы квантовой статистической физики и термодинамики: Учеб. пособие. – Новосибирск: НГТУ, 1996.

Трофимова Т. И. Курс физики. – М., 1990.

 

ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

(III семестр, 32 часа)

 

1. Заряженная частица в магнитном поле.

2. Индукция магнитного поля.

3. Ферромагнетики.

4. Сложение гармонических колебаний.

5. Затухающие колебания.

6. Вынужденные колебания.

7. Интерференция, дифракция света.

8. Поляризация света.

 

Литература для лабораторных занятий

 

1. Электричество и магнетизм: Метод. указания к лаб. работам. № 2383. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002.

2. Электричество и магнетизм. Метод. указания к лаб. работам. № 1763. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.

3. Колебания и волны: Метод. указания к лаб. работам. № 602. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.

4. Оптика. Метод. указания к лаб. работам. №2117. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001.

 

ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

(III семестр, 16 часов)

 

1. Магнитное поле в вакууме. Закон Био–Савара–Лапласа. Сила Ампера. Закон полного тока.

2. Магнитное поле в веществе. Явление электромагнитной индукции.

3. Гармонические колебания. Гармонический осциллятор.

4. Затухающие колебания. Вынужденные колебания осциллятора.

5. Волны.

6. Интерференция световых волн.

7. Дифракция световых волн.

8. Поляризация света.

 

Литература для практических занятий

 

1. Сборник задач по общей физике. Электричество и электромагнетизм / Сост.: Э.Б. Селиванова, С.И. Вашуков, Л.М. Родникова, Н.Я. Усольцева, Б.И. Юдин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. – Ч. 2.

2. Сборник задач по общей физике. Колебания и волны. Волновая оптика. № 1929 / Сост.: Э.Б. Селиванова, Н.Я. Усольцева, С.И. Вашуков, Н.В. Клягина, М.А. Шорохова – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. –

Ч. 3.

3. Электромагнетизм: Метод. указания к решению задач в курсе общей физики. № 1120 / Сост.: Э.Б. Селиванова, В.Я. Чечуев, С.И. Вашуков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994.

4. Колебания и волны. Волновая оптика. Метод. указазания к решению задач в курсе общей физики. № 2260 / Сост.: Э.Б. Селиванова,

В.Я. Чечуев, Б.Л. Паклин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002.

5. Колебания и волны: Метод. указания к решению задач в курсе общей физики. № 1126 / Сост.: Э.Б. Селиванова, В.Я. Чечуев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995.

 

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

(III семестр)

 

Индивидуальное семестровое задание студентам выдается в соответствии с вариантами заданий (18 вариантов) в сборниках задач, подготовленных на кафедре общей физики НГТУ под редакцией Э.Б. Селивановой (см. пп. 1–2 в списке литературы для практических занятий). Выполнение индивидуального задания предполагает решение и защиту определенного (по согласованию с преподавателем) количества задач по темам (нумерация тем сквозная во всех частях сборника задач): 7) магнитное поле в вакууме; 8) сила Лоренца, электромагнитная индукция; 9) гармонические колебания, сложение гармонических колебаний; 10) затухающие и вынужденные колебания; 11) волны; 12) интерференция света; 13) дифракция света; 14) поляризация света.

 

КОЛЛОКВИУМЫ (МОДУЛЬНЫЕ ЭКЗАМЕНЫ)

(III семестр)

 

В третьем семестре проводится два коллоквиума (модульных экзамена) по темам «Электромагнетизм» и «Колебания и волны». На каждый коллоквиум выносится один теоретический вопрос и несколько качественных и расчетных задач. Практические задания к коллоквиумам подготовлены на основе сборников задач кафедры общей физики НГТУ под редакцией Э.Б. Селивановой по соответствующим темам (см. пп. 1 и 2 в списке литературы для практических занятий).

 

Вопросы к коллоквиуму по теме «Электромагнетизм»

 

  1. Магнитное поле. Инвариантность электрического заряда. Электрическое поле в различных системах отсчета.

  2. Взаимодействие движущихся зарядов. Магнитное поле движущегося заряда.

  3. Закон Био–Савара–Лапласа.

  4. Расчет магнитных полей на основе закона Био–Савара–Лапласа.

  5. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

  6. Закон Ампера.

  7. Контур с током в магнитном поле.

  8. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме.

  9. Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции В.

10. Работа перемещения проводника с током в постоянном магнитном поле.

11. Магнитные моменты электронов и атомов.

12. Диа- и парамагнетизм.

13. Намагниченность. Магнитное поле в веществе.

14. Ферромагнетики.

15. Закон Фарадея. Правило Ленца.

16. Индуктивность контура. Самоиндукция.

17. Взаимная индукция.

18. Энергия магнитного поля.

19. Первое уравнение Максвелла.

20. Ток смещения. Второе уравнение Максвелла.

21. Теорема Гаусса для магнитного поля. Третье и четвертое уравнения Максвелла.

 

Примерное задание на коллоквиуме по теме

«Электромагнетизм»

 

1. По проводу, согнутому в виде квадрата со стороной а = 10см, течет ток I = 100 А. Найдите магнитную индукцию В в точке пересечения диагоналей квадрата.

2. Вычислите циркуляцию вектора магнитной индукции вдоль контура, охватывающего токи I1 = 10А, I2 = 15А, текущие в одном направлении, и ток I3 = 20А, текущий в противоположном направлении.

3. Электрон удаляется от кругового проводника, по которому течет ток силой I, с некоторой скоростью v. Направления тока и скорости электрона приведены на рис. 4. Укажите направление силы Лоренца, действующей на электрон.

Подпись:  
Рис. 4
4. Индукция магнитного поля между полюсами двухполюсного генератора В = 0,8 Тл. Ротор имеет N = 100 витков площадью S = 400 см2 каждый. Сколько оборотов в минуту делает ротор, если максимальная величина ЭДС индукции, возникающей в нем, Em = 200 В?

 

Вопросы к коллоквиуму по теме «Колебания и волны»

 

 1. Механические гармонические колебания. Гармонический осциллятор.

  2. Гармонические колебания в электрическом колебательном контуре.

  3. Сложение однонаправленных гармонических колебаний.

  4. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

  5. Затухающие колебания в электрическом колебательном контуре.

  6. Затухающие колебания пружинного маятника.

  7. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний.

  8. Резонанс.

  9. Вынужденные колебания в электрическом колебательном контуре.

10. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны. Уравнение бегущей волны. Волновое уравнение.

11. Энергия упругой волны.

12. Принцип суперпозиции. Групповая скорость. Стоячие волны.

13. Эффект Доплера для звуковых волн.

14. Электромагнитные волны.

 

Примерное задание на коллоквиуме по теме

«Колебания и волны»

 

Точка участвует одновременно в двух взаимно перпендикулярных колебаниях, выражаемых уравнениями x = 3sinpt см и y = –2cospt см. Найдите уравнение траектории точки. Определите скорость и ускорение точки в момент времени t = 0,5 с.

Определите логарифмический декремент, при котором энергия колебательного контура за пять полных колебаний уменьшается в 8 раз.

В цепь переменного тока частотой n = 50 Гц последовательно включены резистор сопротивлением R = 100 Ом и конденсатор емкостью С = 22 мкФ. Определите, какая доля напряжения, приложенного к этой цепи, приходится: а) на падение напряжения на конденсаторе UCm; б) на падение напряжения на резисторе URm?

4. Уравнение плоской волны имеет вид x = 0,05cos (600t–10x) м. Найдите длину волны, скорость распространения волны и амплитуду скорости колебаний частиц среды.

 

ЭКЗАМЕН

(III семестр)

 

Для студентов, успешно сдавших коллоквиум, соответствующая тема снимается с экзамена. В противном случае на экзамене студент должен ответить на теоретический вопрос и выполнить практическое задание по несданной теме. Кроме того, на экзамене необходимо ответить на теоретический вопрос по темам «Волновая оптика» и «Квантовая физика» и выполнить соответствующее практическое задание. Все практические задания подготовлены на основе сборников задач кафедры общей физики НГТУ (см. п. 2

в списке литературы для практических занятий).

 

Вопросы к экзамену по темам «Волновая оптика»

и «Квантовая физика»

 

  1. Когерентность и монохроматичность световых волн.

  2. Интерференция света от двух источников.

  3. Интерференция света от плоскопараллельной пластинки.

  4. Интерференция света от пластинки переменной толщины. Кольца Ньютона.

  5. Принцип Гюйгенса–Френеля. Метод зон Френеля.

  6. Дифракция Френеля на круглом отверстии и на диске.

  7. Дифракция Фраунгофера на одной щели.

  8. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.

  9. Дифракция рентгеновских лучей.

10. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет.

11. Поляризация света при отражении и преломлении.

12. Поляризация при двойном лучепреломлении.

13. Поляризационные призмы. Анализ поляризованного света.

14. Характеристики теплового излучения. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа.

15. Законы Стефана–Больцмана, Вина. Формулы Рэлея–Джинса и Планка.

16. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта.

17. Уравнение Эйнштейна для внешнего эффекта. Фотоны.

18. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновые свойства электромагнитного излучения.

19. Корпускулярно-волновой дуализм вещества. Свойства микрочастиц.

20. Соотношение неопределенностей.

21. Волновая функция и ее статистический смысл.

22. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний.

23. Движение свободной квантовой частицы.

24. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками».

25. Прохождение частицы через «потенциальный барьер». Туннельный эффект.

26. Гармонический осциллятор.

27. Атом водорода по Бору.

28. Атом водорода в квантовой механике.

29. Волновые функции для электрона в атоме водорода. Спин электрона. Спиновое квантовое число.

30. Принцип неразличимости тождественных частиц. Симметричные и антисимметричные волновые функции.

31. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям.

32. Электронные состояния в многоэлектронных атомах.

33. Химические связи.

34. Энергия молекулы. Молекулярные спектры.

35. Лазеры.

Примерное задание на экзамене

по теме «Волновая оптика»

 

1. Какова наименьшая возможная толщина плоской пластинки с показателем преломления n = 1,5, если при освещении ее белым светом под углами i1 = 45° и i2 = 60° она кажется красной в отраженном свете. Длина волны красного света lкр = 0,74 мкм.

2. На узкую щель в непрозрачном экране нормально падает монохроматический свет. Во сколько раз угловая ширина центрального максимума при освещении светом длиной волны l1 =

= 700,0 нм отличается от угловой ширины, полученной при освещении светом длиной волны l2 = 500,0 нм?

Подпись:  
Рис. 5
3. Естественный свет падает на плоскую грань двоякопреломляющего кристалла. Постройте по принципу Гюйгенса направления распространения обыкновенного и необыкновенного лучей. Укажите характер их поляризации. Направление оптической оси указано на рис. 5 пунктирной линией. Кристалл положительный.

4. Пучок естественного света падает на систему из трех николей. Плоскость главного сечения каждого николя составляет угол a = 60° относительно плоскости предыдущего. Какая часть света проходит через эту систему?

 

Третья часть

(IV семестр, 84 часа)

 

Программа четвертого семестра предусматривает 17 лекционных занятий (34 часа), 17 практических занятий (34 часа) и 4 лабораторные работы (16 часов). Из них по разделу «Квантовая физика»: практических занятий – 10 (20 часов), лабораторных занятий – 2 (8 часов); «Статистическая физика и термодинамика»: лекций – 7 (14 часов), практических занятий – 5 (10 часов); по разделу «Конденсированное состояние вещества. Физика атомного ядра»: лекций – 9 (18 часов), практических занятий – 2 (4 часа), лабораторных занятий – 2 (8 часов); по разделу «Современная физическая картина мира»: лекций – 1 (2 часа).

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

(IV семестр, 34 часа)