Методичні вказівки до виконання контрольних завдань із дисципліни „Фізика” для студентів всіх спеціальностей 2 курсу заочного факультету ОДЕКУ.

Укладачі: Андріанова І.С., кандидат фізико-математичних наук, доцент; Курятников В.В., кандидат фізико-математичних наук, доцент; Шевчук Н.В., ст. викладач.

Відповідальний редактор: Герасимов О.І., доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедрою загальної і теоретичної фізики ОДЕКУ.

Андріанова І.С., Курятников В.В., Шевчук Н.В – Одеса, ОДЕКУ, 2012, 74с.

2

6

І.3. Перелік навчальної літератури Основна

1.Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Т.1 – Київ:

Техніка, 1999. – 536с.

2.Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики.Т.2 – Київ:

Техніка, 2001. – 452с.

3.Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Т.3 – Київ:

Техніка, 1999. – 518с.

4.Савельев И.В. Курс общей физики. т.2. – М.: Наука, 1988. – 480с.

5.Савельев И.В. Курс общей физики. т.3. – М.: Наука, 1989. – 304с.

6.Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2001. – 432с.

7.Гаркуша І.П. та ін. Загальний курс фізики. Збірник задач. – Київ: Техніка, 2003, 2004. – 558с.

Додаткова

8.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989. – 608с. 9. Трофимова Т.И. Сборник задач по физике. – М.: Наука, 1999. – 591с.

1.4. Перелік знань та вмінь

Після вивчення частини курсу фізики, яка вивчається на І курсі заочного факультету студент повинен:

•знати основні фізичні величини й характеристики, які вводяться і вивчаються у відповідних розділах та зв’язки між ними; області використання кількісних співвідношень, що їх пов’язують;

•уміти формулювати все це на математичній мові й вирішувати відповідні фізичні задачі, оволодіти основними навичками експериментального вивчення явищ і процесів, роботи з приладами, методами та засобами фізичного експерименту, аналізу та обробки даних експериментів та спостережень.

7

Термоелектронні та контактні явища. Люмінесценція. Лазер. Атомне ядро. Розмір, склад та заряд атомного ядра. Дефект маси, енергія зв’язку. Спін та магнітний момент ядра. Ядерні сили. Моделі ядра. Різновиди іонізуючих випромінювань. Радіоактивність. Уявлення про радіоекологію. Ядерні реакції. Ядерна енергетика. Класифікація елементарних частинок. Різновиди взаємодій (електромагнітне, сильне та слабке). Космічні промені.

Вміння, якими повинен оволодіти студент після вивчення модулів:

-визначати період и частоту коливань, швидкість поширення хвилі;

-розраховувати інтерференцію світла;

-розраховувати енергію і швидкість фотоелектронів за формулою Ейнштейна;

-відобразити квантові переходи на схемі енергетичних рівнів;

-знаходити масу і заряд ядра, дефект маси, питому енергію зв’язку.

2.ОРГАНІЗАЦІЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТІВ

2.1. Повчання по вивченню теоретичного матеріалу

2.1.1.Загальні поради по вивченню теоретичного матеріалу

Головна задача розділів фізики, які згідно програмі вивчаються

студентами на другому курсі – це доведення основних закономірностей коливальних та хвильових процесів; основних принципів та законів геометричної, хвильової та квантової оптики; формування уявлень про хвильові властивості частинок та основи атомної і ядерної фізики; оволодіння студентами знаннями фундаментальних фізичних явищ та методами їх спостереження, умінням розв’язувати задачі, робити оцінки величин.

Методичні вказівки призначені лише допомогти студентам у виконанні цієї задачі, доповнити, але не замінити основні теоретичні джерела, які використовуються студентами при вивченні фізики. Для полегшення вивчення теоретичного матеріалу у робочій програмі курсу наведені посилання до сторінок рекомендованих стандартних підручників із фізики, де розглядаються відповідні питання.

При вивченні теоретичного матеріалу необхідно звернути увагу на

-фізичні моделі, які використовуються при опису того чи іншого явища, та чітко усвідомити границі їх застосувань;

-означення та фізичний зміст величин, які використовуються для опису фізичного стану системи (тіла), фізичного явища або процесу;

-скалярний, векторний або тензорний характер фізичної величини; одиниці її вимірювання;

9

-закони збереження фізичних величин та умови, за якими вони виконуються.

Оскільки основні закони і формули, що відображують зміст кожного

з розділів, наведені перед відповідною контрольною роботою, повчання по вивченню змістовних модулів наводяться нижче у стислому виді, та супроводжуються питаннями для самоконтролю засвоєння матеріалу відповідного модулю.

2.1.2.Повчання по вивченню розділу „Коливання та хвилі “

Уприроді часто зустрічаються явища, яким в тій чи іншій мірі притаманна періодичність, процеси, в яких деяка система багаторазово відхиляється від положення рівноваги і знов повертається до нього. Подібні процеси об’єднуються під загальною назвою «коливання» незалежно від того, яка саме фізична величина періодично змінюється, і допускають однаковий математичний опис за допомогою диференціальних рівнянь того самого виду. Саме тому питання, які пов’язані з вивченням коливань та хвиль будь-якої фізичної природи (механічні чи електромагнітні) виділені в окремий розділ.

При вивченні розділу, перш за все, необхідно звернути увагу на величини, що характеризують коливальні та хвильові процеси; умови, за якими стає можливим виникнення власних гармонічних коливань, та причини згасання коливань у реальних фізичних системах. При розгляді вимушених коливань приділити увагу умовам виникнення резонансу в механічній коливальній системі та коливальному контурі. Необхідно знати диференціальні рівняння, що описують власні, вільні та вимушені коливання, та їх розв’язки; уміти записати хвильове рівняння у випадку пружних хвиль та рівняння, що описують електромагнітну хвилю, її властивості і швидкість розповсюдження., а також шкалу електромагнітних хвиль.

Рівняння Максвелла дозволяють отримати рівняння електромагнітної хвилі, визначити її властивості, а також швидкість розповсюдження.

Питання для самоконтролю засвоєння матеріалу

Механічні коливання.

1.Що таке коливання? гармонічні коливання?

2.Дайте визначення амплітуди, фази, періоду, частоти, циклічної частоти коливання.

3.Запишіть формули швидкості і прискорення точки, що здійснює гармонічні коливання як функції часу.

4.Під дією яких сил виникають власні гармонічні коливання в механічній системі?

10

5.Рівняння власних гармонічних коливань. Що таке фізичний і математичний маятники. Період і частота коливань математичного маятника.

6.Енергія тіла при гармонічному коливанні.

7.Які причини приводять до згасання вільних коливань. Диференціальне рівняння вільних (згасаючих) коливань. За яким законом змінюється амплітуда при вільних коливаннях? Що таке коефіцієнт згасання й логарифмічний декремент згасання?

8.Які коливання називають вимушеними? За якою умовою виникає резонанс у коливальній системі при вимушених коливаннях? Що таке добротність коливальної системи?

9.Додавання гармонічних коливань одного напрямку і частоти. За якою умовою при додаванні цих коливань спостерігається

максимальне та мінімальне значення амплітуди? 10.Що таке биття? Чому дорівнює частота та період биття?

11.Додавання взаємно перпендикулярних коливань однакової частоти. Фігури Ліссажу.

Електромагнітні коливання.

1.Що являє собою коливальний контур. Запишіть Рівняння власних електромагнітних коливань. Формула Томсона.

2.Диференціальне рівняння вимушених електромагнітних коливань і його розв’язок. Резонанс напруги та струмів.

3.Що таке реактивний опір? Як залежить від частоти індуктивний та ємкісний опір? Чому дорівнює повний опір у коливальному контурі?

4.Від чого залежить зсув фаз між струмом та напругою у колі змінного струму?

5.Що таке ефективне значення напруги (струму)?

6.Потужність у колі змінного струму.

7.

Хвилі.

1.Класифікація хвиль та їх характеристики: довжина хвилі; її зв’язок з частотою і швидкістю; хвильове число.

2.Що являють собою хвильовий фронт та хвильова поверхня? Запишіть рівняння плоскої й сферичної хвилі, що біжить.

3.Стоячі хвилі. Чим відрізняється стояча хвиля від біжучої? Яка з них переносить енергію.

4.Хвильове рівняння у випадку пружної та електромагнітної хвилі. Як швидкість електромагнітної хвилі повЄЄязана з діелектричною та магнітною проникністю середовища?

5.У чому полягає фізичний зміст вектора Умова? Чому дорівнює вектор Умова-Пойнтінга?

11

2.1.3.Повчання по вивченню розділу „Оптика“

Оптика – розділ фізики, який вивчає властивості, фізичну природу

світла та його взаємодію з речовиною. Поняття „світло“ охоплює не тільки видиме світло, але й прилеглі широкі ділянки спектра електромагнітних хвиль – інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання.

В оптичному діапазоні чітко проявляються одночасно як хвильові так і корпускулярні властивості електромагнітного випромінювання. Явища поширення світла правильно описані хвильовою теорією, взаємодія світла з речовиною – корпускулярною. Хвильова електромагнітна і корпускулярна квантова теорія не заперечують, а взаємно доповнюють одна одну, відображуючи цим самим двоїстий характер властивостей світла.

Хвильова оптика вивчає явища, в яких проявляється хвильова природа оптичного випромінювання (інтерференція, дифракція, поляризація світла і т. ін.). Граничним (окремим випадком) хвильової оптики є геометрична оптика, яка являє собою простий наближений метод побудови зображень в оптичних системах. Геометрична оптика розглядає закони поширення світла в прозорих середовищах на основі уявлень про світловий промінь, як лінію, вздовж якої переноситься світлова енергія. Отже, при використанні законів світлової оптики слід чітко уявляти межі їх застосування. (Так, наприклад, закон прямолінійного розповсюдження світла порушується при явищі дифракції, закон незалежності світлових променів – при явищі інтерференції).

При вивченні явищ, які розглядаються у рамках хвильової оптики, необхідно, в першу чергу, звернути увагу на умови їх спостереження. Задачі на інтерференцію і дифракцію світла потребують чіткого уявлення про такі поняття, як геометрична і оптична різниця ходу, а також про умови підсилення та ослаблення світла при інтерференції і дифракції.

Поперечний характер світлових (електромагнітних) хвиль експериментально підтверджується явищем поляризації. При вивченні явища поляризації та його практичного застосування, перш за все необхідно засвоїти різницю між природним та поляризованим світлом і звернути увагу на властивості поляризованого світла та способи його отримання.

Основи квантових уявлень про світло були закладені гіпотезою Планка про квантовий характер випромінювання для опису розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Отже, при вивченні характеристик теплового випромінювання та законів випромінювання абсолютно чорного тіла необхідно звернути увагу на квантову гіпотезу та знати зв’язок між хвильовими (частота, довжина

12

хвилі) та квантовими (енергія, імпульс, маса фотона) характеристиками світла.

Фотоефект, фотохімічні реакції, комптонівське розсіювання рентгенівських променів та ряд інших явищ переконливо доводять, що в цих випадках світло діє як частинки. Саме поясненню закономірностей цих явищ з точки зору квантової теорії світла слід приділити увагу при їх вивченні.

З іншого боку, при вивченні матеріалу розділу необхідно приділити увагу на практичне застосування законів геометричної, хвильової та квантової оптики.

Питання для самоконтролю засвоєння матеріалу

1.Основні закони геометричної оптики. Абсолютний та відносний показник заломлення, їх фізичний зміст. За яких умов спостерігається повне внутрішнє відбивання світлових променів?

2.У чому полягає явище інтерференції?

3.Які хвилі називають когерентними? Які умови когерентності не можуть бути виконані, якщо світлові хвилі випромінюються різними джерелами?

4.Сформулюйте умови максимуму і мінімуму інтенсивності світла при інтерференції хвиль.

5.При спостереженні інтерференційної картини від двох джерел світла відстань d між ними зменшили утричі. Як це відобразиться на ширині інтерференційної смуги (відстані між двома сусідніми максимумами)?

6.При спостереженні інтерференційної картини від двох джерел світла

убілому світлі центральний максимум (спектр нульового порядку) буде білим. Якою частиною, червоною чи фіолетовою, будуть обернені до центру спектр більш високих порядків?

7.Чому тонка плівка гасу на поверхні води різнокольорова, хоча гас – прозора безбарвна речовина?

8.У чому полягає явище дифракції? Яка умова необхідна для спостереження дифракції?

9.Сформулюйте принцип Гюйгенса - Френеля.

10.Що таке дифракція Френеля? дифракція Фраунгофера?

11.Що таке дифракційна гратка? Її період? Опишіть основні закономірності дифракційної картини на гратці з N щілин.

12.Яке світло називають природним? Поляризованим? Які види

поляризації вам відомі?

13.Що відбувається з природним світлом при відбиванні та заломлені променів на границі прозорого діелектрика? Що таке кут Брюстера?

14.Яку речовину називають оптично анізотропною? У чому полягає явище подвійного заломлення променів?

13