Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра физики

 

ФИЗИКА 2

Методические указания к расчетно-графическим работам для студентов
специальности 5В070200 – Автоматизация и управление

 

Алматы, 2013

СОСТАВИТЕЛИ: Мажитова Л.Х., Ахметкалиев Р.Б., Наурызбаева Г.К. Физика 2. Методические указания к расчетно-графическим работам для студентов  специальности  5В070200 – Автоматизация и управление. – Алматы: АУЭС, 2013. – 24 с.

Методические указания включают расчетно-графические задания (РГР), методические рекомендации и требования к оформлению и содержанию расчетно-графической работы, список необходимой литературы.

Ил.12 , табл. 3, библиограф. – 14 назв.

Рецензент: канд.тех.наук, доцент Сябина Н.В.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013 год.

 

Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.

Св. план 2013 г., поз.86

Введение

Изучение курса физики создаёт фундаментальную базу инженерно – технических знаний, умений и навыков выпускников высшей технической школы, формирует их научное мировоззрение.

Основными целями курса являются:

1) Формирование у студентов умений и навыков использования фундаментальных законов, теорий классической физики, а также методов физического исследования как основы системы профессиональной деятельности;

2)  Формирование у студентов творческого мышления и научного мировоззрения, навыков самостоятельной познавательной деятельности, умения моделировать физические ситуации.

В курсе «Физика 2» изучаются разделы: «Уравнения Максвелла», «Физика колебаний и волн», «Квантовая физика и физика атома», «Физика твердого тела, атомного ядра и элементарных частиц».

          Приобретённые при изучении физики знания и умения составляют ту основу, которая необходима при изучении технических дисциплин «Теоретическая механика», «Прикладная механика», «Техническая гидродинамика», «Гидравлика», «Теплотехнические измерения», «Теоретические основы электротехники» и другие.

          Курс «Физика 2» состоит из трех кредитов (модулей), по каждому из которых студенты выполняют расчетно–графическое задание (РГР)  трех уровней сложности (А, В и С – по выбору).

          Номер варианта расчетно-графической работы выбирается студентом (например, если студент выбирает 15-й вариант, по таблице №1 он решает следующие задачи: 11.103, 11.121, 11.129 (Волькенштейн В.С. «Сборник задач по общему курсу физики». - М., 1990), из приложения А - 17) самостоятельно и утверждается преподавателем, ведущим практическое занятие.

 

          1 Рекомендации к освоению дисциплины «Физика 2»

 

«Физика 2» является продолжением курса «Физика 1» и при  изучении этой дисциплины необходимо опираться  на знания, приобретенные ранее.  Завершая классическую физику разделом «Уравнения Максвелла» и переходя к изучению квантовой физики и квантовой механики, необходимо осмыслить достижения классической физики и те новые представления, которые легли  в основу современной физики, усвоить основные понятия, законы и принципы современной  (квантовой) физики и их важнейшие следствия.

В разделе «Уравнения Максвелла» очень важно знать явление электромагнитной индукции (закон Фарадея – Максвелла), его роль в развитии теории электромагнитного поля (теории Максвелла); обратить особое внимание на физический смысл уравнений Максвелла.

В разделе «Физика колебаний и волн» механические и электрические колебания и волны следует изучать параллельно, обращая внимание на их сходство и различие, характеристики и уравнения. Усвоить, наряду с аналитическим, графический метод представления гармонического колебания с помощью вращающегося вектора амплитуды.

В разделе « Квантовая физика и физика атома» следует понять:

- роль теплового излучения в развитии квантовой природы излучения;

- основные  закономерности теплового излучения, эффекта Комптона, фотоэффекта;

- свойства и характеристики фотона как кванта электромагнитного излучения;

- корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения и вещества как универсального закона природы.

Следует обратить внимание на физический смысл соотношений неопределенностей как квантового ограничения применимости понятий классической механики, необходимости задания состояния частицы с помощью волновой функции.

В разделе «Физика твердого тела, атомного ядра и элементарных частиц» следует понять различия в распределении электронов по энергетическим зонам между металлами, диэлектриками и полупроводниками; изучить собственную и примесную проводимость полупроводников, фотопроводимость, уяснить свойства р-n-перехода. Необходимо хорошо знать строение атомного ядра, особенности ядерных сил, физическую сущность реакции деления тяжелых ядер и термоядерной реакции, уяснить возможность практического использования внутриядерной энергии.

2 Общие требования к выполнению и оформлению расчетно-графических работ

Из-за большого разнообразия физических задач не существует единого способа их решения, тем не менее, при решении учебных физических задач можно придерживаться следующего общего алгоритма:

- осмыслите и проанализируйте содержание задачи, установите, в каких условиях находится изучаемая система (объект), сделайте чертёж, график или рисунок, поясняющий физический смысл задачи и ход ее дальнейшего реше­ния;

- подумайте, какие физические законы следует применить в данной си­туации, запишите их уравнения в общем виде, затем – применительно к дан­ной задаче, поясните смысл каждого обозначения в уравнении;

- решите задачу в общем виде, получите рабочую (расчетную) формулу. Числовые значения, как правило, подставляются только в рабочую формулу, выражающую искомую величину;

- производя вычисления величин, руководствуйтесь правилами прибли­женных вычислений. Все, входящие в данную формулу величины, выражайте в одной и той же системе единиц (желательно в СИ);

- в некоторых случаях целесообразно оценить правдоподобность ответа, это поможет избежать ошибок в решении;

- в задачах по квантовой механике при вычислении неопределенностей величин (, ), обязательно следует сделать вывод о том, являются ли рассматриваемые частицы классическими или квантовыми.

Все  расчетно-графические работы выполняются в тетради (школьной) или набираются на компьютере. На обложке или титульном листе приводятся сведения в соответствии с приведенным ниже примером.

 

Пример образец титульного листа

Расчетно-графическая работа №1, по дисциплине «Физика 2»

студента  группы БАУ – 12 – 5

Серикжанова Н.С.

Вариант 15

Каждая работа выполняется в отдельной тетради. Работа должна быть выполнена аккуратно, рисунки – карандашом при помощи линейки. Условие каждой задачи  переписываются полностью, без сокращений, затем оно должно быть записано с помощью общепринятых символических обозначений в краткой форме под заглавием «Дано».  Решение  необходимо сопровождать краткими пояснениями, раскрывающими смысл используемых обозначений, где возможно, дать схематически чертеж, поясняющий решение задачи. Необходимо указать какие физические законы лежат в основе данной задачи, решить ее в общем виде (в буквенных обозначениях), после чего подставить числовые данные и произвести вычисления, указать единицу искомой физической величины. При вычислениях рекомендуется пользоваться правилами приближенных вычислений и грамотно записывать ответ.

          Для замечаний преподавателя на странице оставляются поля.

В конце работы необходимо указать, каким учебником или учебным пособием студент пользовался при изучении физики.

 

2.1 Расчетно-графическая работа №1, Модуль 1

 

Цель расчетно-графической работы №1: изучить явления электромагнитной индукции, его роль в развитии теории электромагнитного поля, обратить особое внимание на физический смысл уравнений Максвелла.

 

Т а б л и ц а 1 – Варианты заданий

Уровень

Вариант

Волькенштейн В.С.

«Сборник задач по

общему курсу физики». - М., 1990

Чертов А.Г.,

Воробьёв А.А.

«Задачник по

физике». - М., 2006

Физика: Задания к практическим занятиям / Под общ. ред. Ж.П. Лагутиной. – Мн.,1989

Приложение А

 

А

1

 

25.11, 25.25,  25.42

 

 3

2

 

25.7, 25.26

25.43

 

 1

3

 

25.3, 25.12, 25.44

 

 5

4

 

25.4, 25.6, 25.45

 

2

5

 

26.6

18.7, 18.27

4

6

 

26.7

18.4, 18.28

6

7

11.93, 11.128

26.14

 

7

8

11.95, 11.108, 11.127

 

 

8

9

11.96, 11.110, 11.118,

 

 

15

10

11.94, 11.113

 

18.30

16

В

11

 

25.9, 25.37, 26.5

 

9

12

 

25.8, 25.32, 26.8

 

10

13

 

25.27, 26.10

18.8

12

14

11.122, 11.126, 11.131

 

 

11

15

11.103, 11.121, 11.129

 

 

17

16

11.105, 11.117

 

18.15

18

17

11.106. 11.116

 

18.29

20

18

11.122, 11.129

25.8

 

21

19

11.105, 11.126

 

18.29

22

20

 

25.32, 26.10

18.15

23

21

 

25.22, 25.37

18.31

24

22

11.121, 11.131

 

18.12

25

С

23

 

25.24, 25.28

18.6

13

24

 

 

18.18, 18.23, 18.49

14

25

 

25.28

18.20, 18.44

19

26

11.115, 11.125

 

18.10

26

27

 

25.28

18.18. 18.46

27

2.2 Расчетно-графическая работа №2, М 2

Цель расчетно-графической работы №2: изучать параллельно механические и электрические колебания и волны, обращая внимание на их сходство и различие, характеристики и уравнения. Усвоить графический метод представления гармонического колебания с помощью вращающегося вектора амплитуды.

Т а б л и ц а 2 – Варианты заданий

Уровень

Вариант

Волькенштейн В.С.  «Сборник задач по общему курсу физики».-М., 1990

Чертов А.Г.,

Воробьёв А.А.

«Задачник по

физике». - М., 2006

Физика: Задания к практическим занятиям / Под общ. ред. Ж.П. Лагутиной. – Мн.,1989

Приложение Б

А

1

 

6.7, 6.18, 6.41

20.24, 22.18

3

 

2

 

6.10, 6.19, 6.59, 26.18

19.39, 19.44

4

 

3

 

6.8, 6.14, 6.56, 31.16

20.30

7

 

4

12.6, 12.42, 12.16, 12.59, 16.14

 

 

5

 

5

12.12, 14.12

7.9, 30.24, 32.4

 

8

 

6

12.10, 12.30, 12.57

 

19.9, 20.21

1

 

7

 

6.24(1), 6.58, 7.8, 26.20

21.21

 

9

 

8

12.23, 12.62

7.38, 31.15, 32.2

 

2

 

9

12.25, 14.5, 16.45

 

7.37, 19.15, 19.43

6

 

10

12.33, 12.50, 16.59

 

7.38, 21.26

10

Б

11

12.40, 12.60, 16.62

6.11, 7.40

 

12

 

12

12.38, 16.17, 16.31

6.12, 7.16

 

11

 

13

 

6.13, 6.27, 6.61, 32.5

 7.50

13

 

14

 

6.9, 6.29(1), 6.49, 7.11, 7.40

 

15

 

15

12.13, 12.27, 12.51

 

7.49, 22.17

19

 

16

12.14, 12.20, 16.22, 16.49

 

7.17

22

 

17

16.33

 

7.11, 7.18, 7,28, 19.11

14

 

18

 

6.20(1), 7.5, 30.29

7.12, 7.30

18

 

19

 

6.13, 6.28, 6.63, 7.6

21.8

20

 

20

12.40, 12.58

 

19.12, 20.35, 21.15

21

 

21

12.51, 12.63

6.11, 6.29(3), 6.48

 

17

 

22

 

6.12, 6.21, 31.14

7.29, 7.49

16

С

23

 

6.6, 6.64

21.9, 22.37

24

 

24

 

6.3, 6.70, 31,30

19.46, 22.36

27

 

25

 

6.4, 6.55, 6.72, 31.31, 32.13

 

26

 

26

 

6.6, 6.71

7.33, 21.27, 22.34

23

 

27

12.22, 12.53

 

7.48, 21.9, 22.33

25

2.3 Расчетно-графическая работа №3, М 3

 

Цель расчетно-графической работы №3: изучить основные  закономерности теплового излучения, эффекта Комптона, фотоэффекта, свойств и характеристик фотона, корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения и вещества. Обратить внимание на физический смысл соотношений неопределенностей как квантового ограничения применимости понятий классической механики, необходимости задания состояния частицы с помощью волновой функции. Понять различия в распределении электронов по энергетическим зонам между металлами, диэлектриками и полупроводниками, изучить проводимости полупроводников, знать строение атомного ядра, особенности ядерных сил, физическую сущность реакции деления тяжелых ядер и термоядерной реакции.

 

Т а б л и ц а 3 – Варианты заданий

Уровень

Вариант

Волькенштейн В.С.

«Сборник задач по общему курсу физики».-М., 1990

Чертов А.Г.,

Воробьёв А.А.

«Задачник по

физике». - М., 2006

Физика: Задания к практическим занятиям / Под общ. ред. Ж.П. Лагутиной. – Мн., 1989

Прило­жение В

А

1

21.4, 21.32

34-9,35-3,36-6

25.45

5, 28

 

2

21.2, 21.33, 18.15, 19.13, 19.38

 

25.46

6, 29

 

3

21.3, 21.34

34-1,35-7,36-8

25.17

8, 30

 

4

21.5, 22.9

 

23.25, 23.45, 24.8, 25-18

9, 31

 

5

 

41.4, 43.8, 51.1

23.4, 23.32,24.19

1, 32

 

6

 

41.5, 43.7, 51.6

23.6, 23.36, 24.16

7, 33

 

7

18.21, 19.11, 20.8

36.7, 45.4, 41.6, 43.6, 51.9

 

10, 34

 

8

 

34.3, 35.2, 37.2, 45.2, 45.24, 41.7, 43.5, 51.13

 

4, 35

 

9

 

34.6, 36.9, 37.2, 45.8, 45.23, 41.8, 40.41, 51.8

 

3, 36

 

10

 

41.12, 40.42, 51.18

23.21(б), 23.43, 24.2

2, 37

В

11

21.25, 22.13

34.11, 37.6, 45.26

25-19

13, 38

 

12

21.26, 22.17

34.12, 35.9, 37.8

25-20

14, 39

 

13

21.27, 22.16

34.13, 35.10, 37.8

25-37

12, 40

 

14

 

34.18, 37.9, 45.22, 41.9, 43.12, 51.10

 

18, 41

 

15

 

34.19, 37.11(2), 45-26, 41.11, 43.11

25-42

15, 42

 

16

 

34.22, 35.9, 37.9, 41,10, 43.13, 51.3

 

19, 43

 

17

 

34.11, 35.8, 37.7, 45.25, 41.14, 44.8, 51.4

 

11, 44

 

18

 

35-10, 37.6, 45.11, 41.15, 44.27, 51.40

 

21, 45

 

19

 

34.19, 37.7, 45.26, 41.16, 43.10

25-22

20, 46

 

20

 

34.22, 37.11(1),  45-3, 41.17, 43.16

25-29

22, 47

 

21

 

35.10, 37.4, 45.9, 41.21, 43.15

25-30

16, 48

 

22

 

34.18, 35.8, 45.5, 41.14, 43.9

25-37

17, 49

С

23

 

34.23, 46.21(1), 45.12, 44.9

25-48, 26-10

23, 50

 

24

 

45.13, 41.24, 44.10

23.20, 23.48, 25-41

24, 51

 

25

 

45.13,  45.28,  46.16, 44.28, 41.25

25-49

25, 52

 

26

20.11, 21.16, 22.34

34.8, 45.29, 46.21

25-50

26, 53

 

27

19.19, 22.36

34.24, ,45.31, 46.16

25-40

27, 54

 

Приложение А

 

А.1 В чем состоит существенное различие между максвелловым и фарадеевым пониманием явления электромагнитной индукции? Чья трактовка закона более общая?

А.2 Объясните, какая сила приводит в движение электрические заряды в проводящем контуре, в котором индуцируется ЭДС переменным во времени магнитным полем. Контур неподвижен относительно поля.

А.3  Почему говорят, что существует два вида явлений электромагнитной индукции? К каким эффектам в среде и в вакууме они приводят?

А.4  На рисунке А.1 показаны плоские контуры из тонких проводов, находящиеся в однородном магнитном поле, которое направлено перпендикулярно плоскости рисунка «к нам» индукцию поля начали увеличивать. Определите направление индукционных токов в контурах.

Рисунок А.1

 

А.5 Металлический стержень, закрепленный одним концом, может свободно колебаться в отсутствие магнитного поля, но в магнитном поле его колебания быстро затухают. Почему?  Где это явление находит применение?

А.6  Обсудите физическую причину, по которой индуктивность в электрической цепи ведет себя подобно массе в механическом движении.

А.7  Имеется вертикально расположенная катушка, на которой лежит металлический предмет. Почему этот предмет нагревается, если по виткам катушки течет переменный ток, и остается холодным при постоянном токе?

А.8  Круговой проводящий плоский контур, помещен в однородное магнитное поле с индукцией , перпендикулярно силовым линиям поля. Укажите направление тока, возникающего в контуре в случаях: а) контур растягивается; б) контур сжимается.                                                                                                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок А.2

 

 

 

 

 
А.9  На рисунке А.2 проводник с током  I  перемещается вправо со скоростью . Как направлен ток в неподвижном проводящем контуре в виде квадратной рамки со стороной  а, плоскость которой лежит в плоскости прямого тока I? От чего зависит величина индукционного тока в рамке?

А.10 Алюминиевые предметы, как правило, не притягивается к магниту. Если же алюминиевый диск (способный вращаться) расположить под подковообразным магнитом и раскрутить магнит, то диск тоже начнет вращаться. Почему? В какую сторону будет вращаться диск? (На этом принципе работает спидометр автомобиля).

          А.11 По катушке индуктивности L протекает ток, зависимость от времени которого показана на рисунке А.3, где , * и  - постоянные. Постройте качественно график зависимости  ЭДС самоиндукции в катушке, укажите характер зависимости .                                                                                                                                                                   

 

 

 

 

 

 

Рисунок А.3

 

А.12 В схеме, изображенной на рисунке А.4, в момент времени t=0 замыкают цепь. Постройте качественно графики зависимости силы тока I в цепи и напряжения U на вольтметре от времени t (сопротивлением катушки пренебречь).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок А.4

 

А.13  В магнитном поле бесконечно длинного  прямого  тока I движется проводник длиной l со скоростью по направлению, перпендикулярному току (см. рисунок А.5). Проводник l все время остается параллельным току I  в одной плоскости с ним. Найдите разность потенциалов на концах проводника l как функцию его положения относительно провода с током. При каком условии эта разность потенциалов все время будет оставаться постоянной?        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок А.5

 

А.14 Два круглых витка (не связанных электрически) расположены один за другим, и вы смотрите вдоль линии, соединяющей их центры. К ближнему витку подключается батарея, и ток в нем течет против часовой стрелки. а) В каком направлении потечет индукционный ток в дальнем витке? б) Как долго он длится? в) Как изменится длительность индукционного тока, если удвоить диаметр: 1) провода; 2) витков?

А.15 Какую физическую величину Дж.К.Максвелл назвал током смещения, почему? Чему равна плотность тока смещения? Какое направление имеет вектор ?

А.16  Важный вывод, сделанный Дж.К. Максвеллом, можно сформулировать так: в природе все электрические токи замкнуты. Объясните, как это следует понимать?

А.17  Что представляет собой электромагнитное поле? Дайте определение. Какие уравнения отражают физическую структуру электромагнитного поля?

А.18  Может ли в какой-либо области пространства существовать электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями? Если может, то при каких обстоятельствах?

А.19 В однородном магнитном поле с индукцией , поток которого ограничен круговым сечением площадью S, на расстоянии r от осевой линии потока находится a - частица (см. рисунок А.6). Индукция поля равномерно уменьшается. Как будет вести себя a - частица в этом случае?

 

 

Рисунок А.6

 

А.20 Как следует намотать катушку (соленоид), чтобы её индуктивность была очень мала?

А.21  Какие уравнения входят в полную систему уравнений Максвелла как «материальные уравнения»? Запишите их, объясните, что  выражает каждое из этих уравнений, почему они так называются?

А.22 Что выражают третье и четвертое уравнения системы уравнений Максвелла? Симметричны ли они? Объясните почему.

А.23  Магнитный поток через площадь проводящего кольца равномерно возрастает. Покажите, что напряженность вихревого электрического поля в кольце пропорциональна его радиусу.

А.24  Покажите, что в однородной среде при отсутствии сторонних зарядов и токов однородное переменное магнитное поле порождает неоднородное электрическое поле.

А.25  Покажите, что в однородной среде при отсутствии сторонних зарядов и токов однородное переменное электрическое поле порождает неоднородное магнитное поле.

А.26 В пространстве создано однородное магнитное поле с индукцией . Укажите на рисунке направление силовых линий вихревого электрического поля  в случаях:  а) индукция магнитного поля растет со временем; б) индукция поля – убывает. Определите условие, при котором модуль электрического поля не будет зависеть от времени.

А.27 Пусть в неограниченной проводящей среде помещен металлический шар, которому сообщили заряд q (см. рисунок А.7). Так как среда проводящая, появятся электрические токи, текущие в радиальных направлениях, но магнитное поле в окружающем шар пространстве будет отсутствовать. Докажите это.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок А.7

 

Приложение Б

 

Б.1 Проведите аналогию математического описания гармонических колебаний различной природы: дифференциальное уравнение колебаний, его решение; физические величины, характеризующие систему, их графики.

Б.2 Частица совершает гармоническое колебание с амплитудой А и периодом Т. Определите время, за которое частица сместится: 1) от положения х=0 до положения х=А/2; 2) от положения х=А/2 до х=А. Постройте график колебания и отметьте указанные промежутки времени.

Б.3 Что такое фигуры Лиссажу? В каком случае они наблюдаются? От чего зависит вид фигуры и какие характеристики колебаний  можно определить по виду кривой? Приведите примеры.

Б.4  Что такое апериодический процесс? При каких условиях он наблюдается? Где возможно применение критического затухания (демпфирования)?

Б.5  Объясните, почему мы слышим собеседника, речь и пение актеров, звучание музыкальных инструментов. Почему голос человека индивидуален, как и отпечатки пальцев?

Б.6 Какова интенсивность света, отраженного от поверхности диэлектрика, если он падает на поверхность под углом Брюстера и поляризован: 1) в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча; 2) в плоскости падения?

Б.7  Чему равна при гармоническом колебании работа А квазиупругой силы за время, равное периоду колебаний? Дайте обоснованный  ответ. Что является следствием данного результата?

Б.8 Какое отношение имеет длина волны к вопросу о том, будет ли данное тело представлять препятствие для волн? Нарисуйте возможные картины распространения волны  для случаев: 1) , 2) , 3) .

Б.9  Почему интерференцию света можно наблюдать от двух лазеров и нельзя – от двух электроламп? Дайте полную характеристику света от таких источников.

Б.10 В чем заключается суть просветления оптики? Где применяются просветленные линзы?

Б.11  От чего зависит амплитуда и начальная фаза гармонических колебаний? Приведите примеры, проиллюстрируйте результаты с помощью графиков и формул.

Б.12  Нарисуйте и проанализируйте резонансные кривые для амплитуды смещения (заряда) и скорости (тока). В чем их отличие? Объясните причину этого отличия.

Б.13  Говорят, что великий тенор Энрико Карузо мог заставить бокал разлететься вдребезги, спев в полный голос ноту надлежащей высоты. Как это объяснить?

Б.14  На рисунке Б.1 дан график смещений  в бегущей волне для некоторого момента времени . Нарисуйте под ним (соблюдая тот же масштаб для  ) график плотности энергии  для того же момента времени.

Б.15  Продольные и поперечные волны. Какую волну – поперечную или продольную – описывает уравнение ? Почему? Объясните смысл величины  и проанализируйте зависимости  и  .

Б.16  На рисунке Б.1 дана «моментальная» фотография смещений x частиц среды, в которой вдоль оси распространяется упругая волна. Укажите направление скоростей частиц в точках А, В и С в случае: а) продольной волны; б) поперечной волны, колебания в которой происходят в плоскости рисунка. Чему равна скорость частицы в точке в обоих случаях?

Б.17  На рисунке Б.1 дан график смещений  в бегущей волне для некоторого момента времени . Чему равна (нулю, отлична от нуля, максимальна) плотность кинетической, потенциальной и полной энергии в точках: 1) А и С, 2)  0 и В? Чему равен и как направлен вектор плотности потока энергии  в этих точках?       

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок Б.1

 

Б.18 Электрическое поле в плоской электромагнитной волне изменяется по закону , . Определите: а) величину и направление , запишите закон изменения ; б) направление распространения волны; в) величину и направление вектора Пойнтинга.

Б.19  Почему винный бокал «поёт», если провести мокрым пальцем вдоль его края? Что именно вызывает звучание бокала и почему палец при этом должен быть влажным? Каковы колебания кромки бокала: поперечные или продольные?

Б.20 Какое свойство упругих волн и каким образом помогло геофизикам сделать вывод о существовании жидкого ядра Земли.

Б.21 На рисунке Б.2 представлены графики двух гармонических колебаний. Первое из них описывается уравнением: . Запишите уравнение второго колебания, считая известными величины А и w. Какое из колебаний обладает большей энергией, во сколько раз?   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок Б.2

 

Б.22 Что описывает уравнение вида  , где  – некоторая функция,  и  – константы? Приведите примеры. Каков физический смысл величин   и ?

Б.23 Запишите уравнение плоской монохроматической электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси  Покажите на рисунке расположение друг относительно друга векторы    и   в этой электромагнитной волне? Какие свойства волны отражают эти факты? Что можно сказать о частоте колебаний векторов , их начальных фазах?  Что представляет собой естественная световая волна? Опишите свойства световой волны.

Б.24 Листовые поляроидные покрытия из пластмассы первоначально были разработаны для автомобильных фар – их ставили, чтобы не слепить водителей встречных автомобилей. Каким образом это достигалось и как лучше всего следовало ориентировать такой поляроид? Учтите, что встречная машина должна все-таки оставаться видимой, так что свет частично должен проходить через покрытие.

Б.25 На примере участка однородного проводника с постоянным током плотностью  определите величину потока энергии электромагнитного поля и направление переноса энергии, исходя из понятия вектора Пойнтинга.

Б.26  Вектор Пойнтинга, его смысл. На примере неоднородного участка проводника с постоянным током плотностью  (поле сторонних сил однородно) определите величину потока энергии электромагнитного поля и направление переноса энергии.

Б.27  В воде плавает льдина в виде параллелепипеда с площадью основания S и высотой Н. Льдину погружают в воду на небольшую глубину х0 и опускают. Определите период её колебания, пренебрегая сопротивлением воды. Каким станет период колебаний, если сила сопротивления воды пропорциональна скорости? Запишите законы движения льдины x=x(t) для обоих случаев.

 

Приложение В

 

В.1 Какую функцию описывает формула Рэлея-Джинса? При каких длинах волн она удовлетворительно согласуется с экспериментом? Почему из распределения Рэлея-Джинса был сделан вывод об «ультрафиолетовой катастрофе»?

В.2 Изобразите зависимость испускательной способности черного тела           r(w,Т) от частоты w. Как можно рассчитать значение температуры излучающего тела, используя эту зависимость? Какие законы  лежат в основе этих расчетов?

В.3 Что представляет собой вольтамперная характеристика фотоэлемента? Как с ее помощью  определить число N электронов, выбиваемых светом с поверхности катода в единицу времени? Какие параметры фотокатода необходимо при этом знать?

В.4  В чем состоит физический смысл соотношения неопределенностей (для координат и проекций импульса) В.Гейзенберга?  Какие из указанных физических величин могут быть одновременно точно определены?

В.5 Дайте определение эффекту Комптона. Объясните: 1) независимость величины Dl в формуле для эффекта Комптона  от природы вещества; 2) наличие в рассеянном излучении несмещенной компоненты.

В.6 Какой смысл вкладывается в соотношение неопределенностей? Проиллюстрируйте на примерах его подтверждение.

В.7  Запишите формулу для энергетического спектра одномерного квантового гармонического осциллятора, изобразите вид этого спектра. Объясните, почему его минимальная энергия не равна нулю.

В.8 Сформулируйте, в чем сущность корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения? Запишите и поясните формулы, выражающие связь волновых и корпускулярных характеристик электромагнитного излучения. Какие из этих соотношений являются фундаментальными, а какие – индивидуальными?

В.9  В чем суть туннельного эффекта и почему он невозможен в рамках классической механики? Какие явления служат экспериментальным доказательством прохождения частиц сквозь потенциальный барьер?   Дайте определение коэффициента прозрачности D потенциального барьера. Не противоречит ли закону сохранения энергии прохождение частицы  сквозь потенциальный барьер при W<U?

В.10 Покажите, что при больших квантовых числах энергетические уровни электрона в потенциальном ящике с плоским дном и бесконечно высокими стенками становятся квазинепрерывными.

В.11 В спектре излучения абсолютно черного тела при температуре Т выделены два участка,  площади которых DS1=DS2 (см.рисунок В.1). Сравните средние излучательные способности и энергетические светимости в интервалах Dl1 и Dl2. Одинаково ли  число излучаемых квантов?                                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок В.1

 

В.12 На одном рисунке представьте графики зависимости от длины волны спектральной плотности энергетической светимости r (λ, Т) равновесного  теплового излучения для нескольких температур Т1 < Т2 < Т3. Охарактеризуйте все изменения кривых зависимости r (λ, Т) при переходе к более высоким температурам (проиллюстрируйте законы теплового излучения абсолютно черного тела). Объясните, почему эти кривые не могут пересекаться.

В.13  Изобразите качественно зависимость задерживающего напряжения  Uз от частоты w падающего света при фотоэффекте. Проанализируйте влияние материала катода на эти кривые (изобразите два графика для различных фотокатодов). Какие физические постоянные могут быть получены с помощью этой зависимости и как?

В.14 В конце 19 века физик Лоренц Х. сделал вывод о том, что «уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасшая печь не испускает синих лучей наряду с излучением больших длин волн». Что легло в основу этого вывода? Как и кем были разрешены эти трудности?

В.15  Объясните, почему существование граничной частоты фотоэффекта свидетельствует в пользу корпускулярной, а не волновой теории света? Какие еще закономерности фотоэффекта не могут быть правильно объяснены в волновой теории света?

В.16 Покажите, что в эффекте Комптона проявляются корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Почему эффект Комптона не наблюдается при рассеянии видимого света?

В.17  Что такое  “ток насыщения» фотоэлемента? Как зависит ток насыщения  данного фотоэлемента: а) от величины светового потока, б) от напряженности электрического поля в падающей световой волне? Постройте графики этих зависимостей (качественные).

В.18  Как изменится вид вольтамперной характеристики фотоэлемента, если: а) при неизменном спектральном составе волны увеличится в два раза ее полный световой поток; б) при неизменном световом потоке увеличится в два раза частота монохроматического света? Изобразите характеристики на графике и поясните их.

В.19  Представьте графически и обсудите энергетический спектр одномерного квантового гармонического осциллятора. Поясните, почему его минимальная энергия не равна нулю.

В.20  Представьте графически и обсудите энергетический спектр атома водорода. Опишите его оптический спектр: происхождение серий и отдельных линий в этом спектре.

В.21  От каких квантовых чисел зависит волновая функция, описывающая состояние электрона в атоме водорода в теории Шредингера? Укажите возможные значения квантовых чисел и что каждое из них определяет. Что представляет собой полная система квантовых чисел? Что такое спин частицы?

В.22  В потенциальном бесконечно глубоком одномерном ящике энергия W электрона точно определена. Значит, точно определено и значение квадрата импульса электрона (р2=2mW).  С другой стороны, электрон заперт в ограниченной области с линейными размерами l. Не противоречит ли это соотношению неопределенностей?

В.23 Оцените, исходя из соотношения неопределенностей, энергию нулевых колебаний одномерного квантового гармонического осциллятора. Сравните полученный результат с тем, который следует из решения уравнения Шредингера.

В.24 Как квантуется энергия и момент импульса частицы (охарактеризуйте квантовые числа)? Каким образом «форма потенциальной ямы» влияет на квантование энергии?

В.25 Запишите законы сохранения энергии и импульса для процессов взаимодействия фотонов с частицами вещества (электронами). В чем специфика применения этих законов для оптических фотонов, рентгеновского и  излучений?

В.26 Как изменится вид вольтамперной характеристики фотоэлемента, если  при неизменном потоке фотонов увеличится  (уменьшится) в два раза частота монохроматического света.  Изобразите характеристики на графике и поясните их.

В.27  Запишите закон Кирхгофа для теплового излучения. Объясните, почему, например, тело, окрашенное в зеленый цвет и, следовательно, поглощающее красную часть видимого спектра, не излучает  волн красного диапазона, как можно было бы ожидать, исходя из закона Кирхгофа. Поясните свой ответ с помощью графика.

В.28  В чем состоит принципиальное отличие квантовой  и классической статистик? Сформулируйте основную задачу квантовой статистики.

В.29  Что такое фермионы и бозоны? Почему фермионы называют «индивидуалистами», а бозоны – «коллективистами»? Существуют ли другие классы частиц?

В.30  Покажите, что классическая статистика Больцмана является приближенным предельным случаем, в который переходят обе квантовые статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. При каких условиях это происходит?

В.31  Оцените скорость движения электронов, находящихся на уровне Ферми. Почему в квантовой теории проводимости металлов в отличие от классической теории принята независимость скорости беспорядочного движении электронов от температуры?

В.32  В чем заключается принцип тождественности частиц и принцип Паули?

В.33  В чем состоит особенность энергетического спектра электронов в кристаллах с точки зрения зонной теории? Опишите структуру спектра. Изобразите схематически энергетические спектры металла, диэлектрика, чистого полупроводника, объясните отличия.

В.34  Запишите схему аннигиляции электрон-позитронной пары. Определите энергию каждого из возникших фотонов, принимая, что кинетическая энергия электрона и позитрона до их столкновения пренебрежимо мала.

В.35 b- - распад. Объясните появление отрицательно заряженных частиц в положительном ядре.

В.36  Что такое дефект массы? Дайте определение энергии связи ядра, удельной энергии связи.  Сравните среднюю удельную энергию связи ядра с энергией связи электрона  в атоме, сделайте вывод.

В.37  Что такое  частица? Приведите схему распада и сформулируйте его основные закономерности.

В.38 Постройте и объясните кривую распределения фермионов по энергиям при абсолютном нуле температуры . Изобразите схематически  соответствующий энергетический спектр электронов в металле, объясните результаты. Дайте физический смысл  энергии Ферми.

В.39 Постройте и объясните кривую распределения фермионов по энергиям при температуре . Изобразите схематически  соответствующий энергетический спектр электронов в металле, объясните результаты. Дайте определение работы выхода электрона из металла согласно квантовой теории.

В.40  Объясните с точки зрения зонной теории, почему двухвалентные металлы (алюминий, медь, бериллий и др.) являются хорошими проводниками, хотя их валентные зоны полностью заполнены? Покажите схематически структуру электронного энергетического спектра этих металлов.

В.41 Что такое  – переход? Его свойства. Приведите и поясните график вольтамперной характеристики   – перехода.

В.42  Какой процесс называют захватом? Запишите схему захвата, объясните, чем он сопровождается и в чем состоит его отличие от  - распадов.

В.43  Механизм ядерного взаимодействия является обменным. Что это значит? Какие частицы участвуют в этом взаимодействии? Приведите схемы сильного взаимодействия. Какие силы, кроме ядерных, носят обменный характер?

В.44  Что называется ядерной реакцией? Дайте определение, общую характеристику и особенности протекания ядерной реакции. Что такое порог ядерной реакции, энергетический выход реакции?

В.45  Объясните согласно зонной теории механизм возникновения внешней и внутренней контактной разности потенциалов двух металлов.

В.46  Вычислите вероятность заполнения электронами энергетического уровня W для случая , пользуясь статистикой Ферми-Дирака и статистикой Больцмана. Обсудите полученный результат.

В.47 Какую роль играет соотношение неопределенностей Гейзенберга  в подтверждение существования виртуальных частиц?

В.48  Оболочечная модель ядра – какие экспериментальные факты лежат в основе этой модели? Основные результаты, полученные с помощью этой модели.

В.49  Капельная модель ядра – представления и факты, лежащие в основе модели. Какие свойства атомных ядер хорошо объясняет эта модель, в чем её недостатки?

В.50 Охарактеризуйте основные свойства распада с точки зрения энергии  частиц внутри и вне ядра. Каким образом a - частица преодолевает потенциальный барьер, высота которого превосходит полную энергию a - частицы?

В.51 Дайте понятие удельной энергии связи. Постройте график зависимости удельной энергии связи от массового числа  и проанализируйте его: какие ядра наиболее устойчивы, чем объясняется наличие  острых пиков и впадин в области легких ядер; рассмотрите возможные пути получения ядерной энергии.

В.52  При b - распаде скорость ядра атома, из которого вылетел электрон, направлена не по той прямой, по которой направлена скорость электрона (см. рисунок В.2). Как это можно объяснить?

 

                                               Рисунок В.2

 

В.53 На рисунке  В.3 показана полученная экспериментально зависимость логарифма проводимости  от величины, обратной температуре (,кК) для некоторого полупроводника  типа. Определите из данных графика ширину запрещенной энергетической зоны полупроводника и энергию активации донорных уровней.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок В.3

 

В.54 Эксперименты по рассеянию заряженных частиц на ядрах показали, что в первом приближении ядро может считаться шаром, радиус которого определяется формулой R=1,2×10-15 А1/3 м, где А – массовое число ядра. На какие свойства ядерных сил указывает эта зависимость? Дайте объяснение.

 

Список литературы

 

1. Савельев И.В. Курс физики.- М.: Наука, 1989. - т. 2, 3.

2. Детлаф А.А. , Яворский Б.М.  Курс физики. -М.:  Высш. шк., 2004.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш. шк., 2004.

4. Курс физики. Под ред. Лозовского В.Н. – СПб.: Лань, 2001. – т.1, 2.

5. Савельев И.В. Курс физики: Кн. 2: Электричество и магнетизм. –М.: «Издательство АСТ», 2004.

6. Савельев И.В. Курс физики: Кн. 4:Волны. Оптика. –М.: «Издательство АСТ», 2004.

7. Савельев И.В. Курс физики: Кн. 5:Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. –М.: «Издательство АСТ», 2004.

8. Иродов И.Е.  Электромагнетизм. Основные законы. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.

9. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М., 1981.

10. Физика. Задания к практическим занятиям. Под ред. Ж.П. Лагутиной.– Мн.: Высш.шк., 1985.

11. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Уч. пособие для втузов. – М.: Изд-во  Физико-математической литературы, 2006.

13. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. - М.: Физматлит., 1988.

14. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики для втузов. - М.: Оникс 21 век, 2003.

15. Физика 2. Конспект лекций (для студентов специальностей 050718 – Электроэнергетика, 050717 – Теплоэнергетика). – Алматы: АИЭС, 2009.

 

Содержание

 

Введение 

3

Рекомендации к освоению дисциплины «Физика 2»                                        

3

Общие требования к выполнению и оформлению

 

расчетно-графических работ                                                                            

4

Пример-образец титульного листа     

5

Расчетно-графическая работа №1, Модуль 1                                                      

6

Расчетно-графическая работа №2, Модуль 2

7

Расчетно-графическая работа №3, Модуль 3        

8

Приложение А          

10

Приложение Б

14

Приложение В

17

Список литературы

23