Конспект лекций для студентов дистанционной формы обучения

1 Введение

Знания по физике необходимы студентам для формирования представлений о современной физической картине мира и научного мировоззрения; для изучения последующих общеинженерных и специальных дисциплин; для применения фундаментальных законов физики, методов физического исследования и достижений физики в профессиональной деятельности.

Физика изучает основные, наиболее общие формы движения материи. В соответствии с этим курс «Физика II» состоит из нескольких разделов. В первом разделе рассматриваются характеристики и общие закономерности колебательного и волнового движения. Использован единый подход к колебаниям и волнам различной физической природы. Следующий раздел посвящен элементам геометрической и волновой оптики. Волновая оптика излагается как часть общего учения о распространении волн. Наряду с общими свойствами отмечаются специфические особенности световых волн и их практические приложения. Третий раздел посвящён квантовой природе излучения. Рассмотрение законов теплового излучения, с одной стороны, - важный этап в формировании научного мировоззрения студентов, так как с теорией равновесного излучения абсолютно черного тела связан переход от классической физики к квантовой. С другой стороны, студенты знакомятся с практически важными свойствами теплового излучения. Анализ двойственности природы света готовит студентов к восприятию идеи двойственности свойств любой материи, в частности вещества, что является содержанием следующего раздела, посвященного элементам квантовой механики. Рассматриваются волновые свойства микрочастиц, квантово-механическое описание свойств атомов. Даются элементы квантовой статистики и физики конденсированного состояния. В заключительной части излагаются элементы физики атомного ядра и элементарных частиц. Рассматриваются происхождение и свойства радиоактивных излучений, их взаимодействие с веществом. Несмотря на наличие различных разделов, дается единое изложение современной физики, благодаря чему прослеживается взаимосвязь различных областей физики. Особое внимание уделяется рассмотрению физической сущности изучаемых явлений и описывающих их понятий и законов, взаимоотношениям между классической и современной физикой, границам применимости тех или иных физических теорий и законов. Обобщение всего материала достигается благодаря стержневым, фундаментальным принципам, пронизывающим весь курс физики. Это принципы сохранения, элементарности, симметрии, соответствия, единства картины мира.

2 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА

2.1 Создание у студентов основ достаточно широкой теоретической подготовки в области физики, позволяющей будущим инженерам ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающей им возможность использовать новые физические принципы в тех областях техники, в которых они специализируются.

2.2 Формирование у студентов научного мышления и диалектического мировоззрения, правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов, теорий и умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или математических методов исследования.

2.3 Усвоение студентами основных физических явлений и законов классической и современной физики, методов физического исследования.

2.4 Выработка у студентов умения и навыков решения обобщенных типовых учебных задач дисциплины (теоретических и экспериментально-практических).

2.5 Ознакомление студентов с современной измерительной аппаратурой, выработка умения проводить экспериментальные исследования, обрабатывать результаты эксперимента и анализировать их.

2.6 Развитие у студентов творческого мышления, навыков самостоятельной познавательной деятельности, умения моделировать физические ситуации с использованием компьютера.

3 Рабочая программа

3.1 Колебания и волны.

3.1.1 Общие характеристики гармонических колебаний. Кинематика гармонических колебаний. Динамика гармонических колебаний. Колебания груза на пружине. Математический маятник. Физический маятник. Колебательный контур. Сложение колебаний.

3.1.2 Затухающие и вынужденные колебания. Коэффициент затухания. Логарифмический декремент затухания. Вынужденные колебания под действием синусоидальной силы. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс. Переменный электрический ток. Закон Ома для переменного тока. Резонанс напряжений и токов. Векторная диаграмма. Автоколебания.

3.1.3 Волновые процессы. Основные характеристики волнового движения. Уравнение волны. Плоская волна. Бегущие и стоячие волны. Фазовая скорость. Энергия волны. Эффект Допплера. Звук. Ультразвук.

3.2 Волновая оптика

3.2.1. Свойства электромагнитных волн. Волновое уравнение для электромагнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга. Излучение диполя.

3.2.2 Понятие о лучевой (геометрической) оптике. Законы отражения и преломления. Явление полного отражения. Фотометрия.

3.2.3 Свойства световых волн. Волновой пакет. Групповая скорость. Интерференция световых волн. Временная и пространственная когерентность. Интерферометры.

3.2.4 Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на одной щели и на многих щелях. Спектральное разложение. Голография.

3.2.5 Электромагнитные волны в веществе. Распространение света в веществе. Дисперсия света. Поглощение света. Поляризация света. Способы получения поляризованного света.

3.3 Квантовая физика

3.3.1. Тепловое излучение. Проблемы излучения абсолютно черного тела. Квантовая гипотеза и формула Планка. Фотоны. Энергия и импульс световых квантов.

3.3.2 Экспериментальное обоснование основных идей квантовой теории. Фотоны. Опыты Франка и Герца. Фотоэффект. Эффект Комптона. Линейчатые спектры атомов. Постулаты Бора. Принцип соответствия.

3.3.3 Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства микрочастиц и соотношение неопределенностей. Статистический смысл волновой функции.

3.3.4 Временное и стационарное уравнения Шредингера. Статистический смысл волновой функции. Частица в одномерной прямоугольной яме. Прохождение частицы через потенциальный барьер.

3.3.5 Атом и молекула водорода в квантовой теории. Уравнение Шредингера для атома водорода. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Ширина уровней. Квантовые числа. Принцип Паули. Молекула водорода. Ионные и ковалентные связи. Атомные и молекулярные спектры.

3.3.6 Элементы квантовой электроники и квантовой статистики. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры. Фазовое пространство. Элементарная ячейка. Плотность состояний. Понятие о квантовых статистиках Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Квазичастицы. их определения и виды.

3.3.7 Конденсированное состояние. Элементы структурной кристаллографии. Методы исследования кристаллических структур. Методы исследования кристаллических структур. Теплоемкость кристаллической решетки. Фононный газ. Электропроводность металлов. Уровень Ферми. Металлы, диэлектрики и полупроводники в зонной теории. Понятие дырочной проводимости Собственная и примесная проводимости. Явление сверхпроводимости. Эффект джозефсона. Квантовые представления о свойствах ферромагнетиков. Обменное взаимодействие. Температура Кюри. Намагничивание ферромагнетиков.

3.4 Атомное ядро и элементарные частицы

3.4.1. Атомное ядро. Строение атомных ядер. Ядерные силы. Альфа-, бета- и гамма-излучения и их взаимодействие с веществом. Ядерные реакции. Радиоактивные превращения атомных ядер. Реакции ядерного деления. Цепная реакция деления. Ядерный реактор. Реакция синтеза. Проблема источников энергии. (1 час)

3.4.2. Элементарные частицы. Сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное взаимодействия. Лептоны, адроны. Кварки. Понятие об основных проблемах современной физики и астрофизики. (1 час)

ЛЕКЦИЯ 1

4 колебательное движение