3. Строение атома и квантовая физика

Гипотеза Планка о квантах. Фотоэффект. Фотон. Волновые и кор­пускулярные свойства света. Технические устройства, основанные на ис­пользовании фотоэффекта.

Строение атома: планетарная модель и модель Бора. Поглощение и испускание света атомом. Квантование энергии. Принцип действия и ис­пользование лазера.

Строение атомного ядра. Энергия связи. Связь массы и энергии. Ядерная энергетика. Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы.

4. Эволюция вселенной

Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик. Большой взрыв. Возможные сценарии эволюции Вселенной.

Эволюция и энергия горения звезд. Термоядерный синтез. Образование планетных систем. Солнечная система.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

В процессе изучения курса физики студент должен выполнить две контрольные работы.

К выполнению контрольной работы студент приступает после изучения теоретического материала по конспектам, учебникам и дополнительной литературе.

Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена; для замечаний рецензента надо оставить широкие поля; писать четко и ясно; номера и условия заданий переписываются в том порядке, в котором они указаны в задании. В конце работы следует составить список используемой литературы с указанием года издания. Работа должна быть датирована, подписана студентом и представлена на рецензирование. Ответы следует излагать своими словами.

Контрольная работа должна быть выполнена в установленные графиком сроки и написана грамотно, разборчиво, без сокращения слов, ответы на вопросы к каждому заданию должны быть краткими, точными, не допустимы односложные ответы. Работа оценивается зачтено или не зачтено.

Если контрольная работа не зачтена, её нужно выполнить повторно в соответствии с указанием рецензента и выслать на рецензирование вместе с не зачтенной работой. Исправления следует выполнять в конце тетради, а не в рецензированном тексте. Контрольная работа, выполненная не по своему варианту, преподавателем не рецензируется, не засчитывается как сданная и возвращается без проверки.

Вариант контрольной работы определяется по последней цифре шифра студента. Например, номер шифр 50, следовательно, вариант контрольной работы 10. Будьте внимательны при выборе варианта контрольной работы!

Варианты контрольной работы

Вариант 1

1. Найти скорость изменения магнитного потока в соленоиде из 2000 витков при возбуждении в ней ЭДС индукции 120 В.

2. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц (счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера, метод толстослойных эмульсий).

Вариант 2

1. Какая индуктивность соленоида, если при силе тока 6 А через него проходит магнитный поток 52 МВб?

2. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Трудности теории Бора.

Вариант 3

1. Определить частоту, на которой суда передают сигнал бедствия SOS, если длина волны 600 м.

2. Лазеры. Свойства лазерного луча. Рубиновый лазер. Применение лазеров.

Вариант 4

1. Свет переходит из воздуха в прозрачную среду. Угол падения луча 44º, а угол

преломления 28º. Определить показатель преломления среды и скорость распределения в ней.

2. Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик. Большой взрыв.

Возможные сценарии эволюции Вселенной.

Вариант 5

1. Работа выхода электронов из цезия 1,89 зВ. Определить красную границу фотоэффекта для цезия.

2. Эволюция и энергия горения звезд. Термоядерный синтез.

Вариант 6

1. Написать ядерную реакцию превращения радия в радон.

2. Шкала электромагнитных излучений.

Вариант 7

1. Луч света переходит от воздуха в воду. Определить угол падения луча, если угол преломления 48º.

2. Образование планетных систем. Солнечная система.

Вариант 8

1. Для рентгеновского излучения наибольшая длина волны 5 нм, а наименьшая 4*10·¹² м. Определить энергию фотонов соответствующую этим длинам.

2. Распространение радиоволн. Для космической связи используют электромагнитные волны длиной менее 10 м. Почему?

Вариант 9

1. Объяснить реакцию и назвать недостающую частицу: 5¹ºB+2

2. Какова природа света по современным представлениям?

Вариант 10

1. Энергия магнитного поля соленоида 1 мДж, а индуктивность 5 мкГн. Определить

силу тока в катушке.

2. Применение ядерной энергии. Получение радиоактивных изотопов и их применение.

Методика решения типовых задач

Задача 1. В сосуде, вместимость которого 0,5 л находится кислород при нормальных условиях. Определить массу и число молей кислорода; число молекул и массу одной молекулы.

Дано: = 1,43 кг/ - плотность кислорода (нормальные условия); кг/моль – молярная масса кислорода; – постоянная Авогадро.

Найти: m – массу кислорода; v- число молей газа; N – число молекул; – массу одной молекулы

Решение. Массу m кислорода определим из формулы плотности:

m =; m =1, 43 кг/

Число v молей найдём, поделив массу m кислорода на массу одного моля :

v =; v =

Зная, что один моль содержит молекул, определим :

;

Массу одной молекулы найдём, поделив массу m всего кислорода на число молекул N:

;

Примечание: Массу одной молекулы можно найти иначе: поделив молярную массу кислорода на постоянную Авогадро.

Ответ: Масса кислорода 715 мг; число молей ; число молекул приблизительно

; масса одной молекулы

Задача 2. Баллон вместимостью 5,8 л содержит углекислый газ при температуре 290 К и давлении 0,831 МПа. Определить массу газа.

Дано: V =5,8 л=5,8*; T =290 K – температура газа; p =0,831 МПа=8,31* - давление газа в баллоне; =44* кг/моль – молярная масса; R= 8,31 Дж/мольК) – молярная газовая постоянная.

Найти: m – массу газа в баллоне.

Решение. Для решения задачи используем уравнение Менделеева – Клапейрона

pV =RT, отсюда m =

m =

Ответ: Масса углекислого газа 88 г.

Задача 3. При замыкании источника тока проводником, сопротивление которого 1,8 Ом, в цепи возникает сила тока 0,7 А. Если источник тока замкнуть на сопротивление 2,4 Ом, то сила тока станет равной 0,56 А. Определить силу тока при коротком замыкании.

Дано:

Найти:

Решение. Для решения задачи используем закон Ома для полной цепи: I = При коротком замыкании сопротивлением внешней части цепи можно пренебречь, т.е. R=0, поэтому неизвестные и определим из закона Ома для всей цепи, записанного в виде системы двух уравнений: +r); +r). При различной внешней нагрузке э. д. с. И внутренне сопротивление источника энергии не изменяются; следовательно, можно приравнять правые части уравнений +r) =+r) и найти r:

r =.

Подставляя числовые значения, получаем

r =

Подставляя значение r в одно из уравнений, определяем э. д. с.

Значения

Ответ. Сила тока при коротком замыкании 7 А.

Задача 4. Луч света, падающий из воздуха на плоскую поверхность

прозрачной среды, частично отражается и частично преломляется.

Чему равен показатель преломления прозрачной среды и какова

скоростьраспространения света в ней, если угол отражения , M N

а угол преломления (рис. 1)?

Дано: - угол отражения луча; - угол преломления

Луча на границе раздела двух сред.

Найти: n – показатель (коэффициент) преломления прозрачной среды; Рис.1. v- скорость распространения света в ней.

Решение. По первому закону отражения света определяем угол падения луча:

Найдём показатель (коэффициент) преломления прозрачной среды относительно воздуха, используя второй закон преломления света:

n =; n = = =1, 63.

Различием значений в показателях преломления по отношению к воздуху и вакууме можно пренебречь, поэтому n можно считать абсолютным показателем преломления данной прозрачной среды. Зная его, можно определить скорость распространения света.

n =; v = = =1,84* м/с.

Ответ. Абсолютный показатель преломления 1, 63; скорость распространения света 1,84* м/с.

Задача 5. Определить кинетическую энергию электронов, выбитых из вольфрама излучением длиной волны 180 нм, если работа выхода электронов из вольфрама равна 4,54 эВ. Определить максимальную скорость выбитых электронов.

Дано: =180 нм =1,8*м – длина волны излучения; =4,54 эВ =7,26* Дж – работа выхода электронов; с =3*м/с – скорость распространения излучения; =9,1 - масса электрона; h =6,62*Дж*с – постоянная Планка.

Найти: – кинетическую энергию выбитых электронов; - максимальную скорость электронов.

Решение. Кинетическую энергию электронов, выбитых из вольфрама, можно определить из формулы Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: h =, где =c/; отсюда =hc/-;

=6,62* Дж.

Скорость выбитых электронов найдём по формуле кинетической энергии = ,

отсюда =; =9,1*м/с.

Ответ. Кинетическая энергия выбитых электронов приблизительно 3,8* их максимальная скорость 9,1*м/с.

Задача 6. В результате захвата - частицы ядром атома азота образуются неизвестный элемент и протон. Написать реакцию и определить неизвестный элемент.

Решение. Необходимо помнить, что число, стоящее внизу около символа химического элемента, означает номер данного элемента по таблице Менделеева (или заряд данной частицы); число, стоящее вверху, означает число нуклонов в ядре (к нуклонам относятся протоны и нейтроны). Иначе, число нуклонов называют массовым числом.

Используя таблицу Менделеева, можно записать: на седьмом месте находится азот, массовое число которого 14, то есть, – частица – это ядро атома гелия, стоящего на втором месте в таблице (число нуклонов 4), то есть. Протон представляет собой ядро атома водорода и обозначается символом .

При записи ядерной реакции следует помнить, что сумма массовых чисел в правой и левой частях уравнения должна быть одна и та же. Заряды правой и левой частей также должны совпадать. Имеем

Неизвестный элемент X имеет порядковый номер 8 и массовое число 17. В таблице Менделеева на восьмом месте стоит кислород с массовым числом 16; следовательно, можно сделать вывод: ядро атома азота, захватив – частицу, превратилось в изотоп кислорода и протон:

Вопросы к экзамену.

1. Явление электромаг­нитной индукции и закон электромагнитной индукции Фарадея. Вихревое электрическое поле. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность.

2. Принцип действия электрогенератора.

3. Переменный ток. Трансфор­матор. Производство, передача и потребление электроэнергии. Проблемы энергосбережения. Техника безопасности в обращении с электрическим током.

4. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Скорость элек­тромагнитных волн. Принципы радиосвязи и телевидения.

5. Свет как электромагнитная волна. Интерференция и дифракция све­та.

6. Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение.

7. Дисперсия света.

8. Различные виды электромагнитных излучений, их свой­ства и практические применения. Оптические приборы. Разрешающая спо­собность оптических приборов.

9. Гипотеза Планка о квантах.

10. Фотоэффект. Фотон.

11. Волновые и кор­пускулярные свойства света. Технические устройства, основанные на ис­пользовании фотоэффекта.

12. Строение атома: планетарная модель и модель Бора. Поглощение и испускание света атомом. Квантование энергии.

13. Принцип действия и ис­пользование лазера.

14. Строение атомного ядра. Энергия связи.

15. Связь массы и энергии.

16. Ядерная энергетика.

17. Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы.

18. Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик. Большой взрыв. Возможные сценарии эволюции Вселенной.

19. Эволюция и энергия горения звезд. Термоядерный синтез.

20. Образование планетных систем. Солнечная система.

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

основная

1. Волькштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики: учебное пособие для вузов.- М.: Наука, 2007

2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика 11 класс (базовый и профильный уровень).- М.: Просвещение, 2008

3. Перышкин А.В. Физика: учебное пособие .- М.: Наука, 2009

4. Ремизов А.Н., Потапенко А.Я. Курс физики: учебное пособие для вузов.- М.: Дрофа, 2009

5. Савельев И.С. Курс общей физики: учебное пособие для студентов.- М.: Наука, 2007

6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики: учебное пособие для студентов.- М.: Высшая школа, 2007

7. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.- М.: Наука, 2008

дополнительная

8. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. - М., 2005.

9. Генденштейн Л.Э. Дик Ю.И. Физика. Учебник для 11 кл. - М., 2005.

10. Громов С.В. Физика: Механика. Теория относительности. Электро­динамика: Учебник для 10 кл. общеобразовательных учреждений. - М., 2001.

11. Громов С.В. Физика: Оптика. Тепловые явления. Строение и свойст­ва вещества: Учебник для 11 кл. общеобразовательных учреждений. - М., 2001.

12. Дмитриева В.Ф. Задачи по физике: учеб. пособие. - М., 2003.

13. Дмитриева В.Ф. Физика: учебник. - М., 2003.

14. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений. - М., 2005.

15. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений. - М., 2003.

16. Самойленко П.И., Сергеев А.В. Сборник задач и вопросы по физике: учеб. пособие.— М., 2003.

17. Самойленко ГШ., Сергеев А.В. Физика : учебник. - М., 2003.

интернет-ресурсы

1. www.en.edu.ru – образовательный интернет-портал

2. www.phizik.cjb.net- образовательная физика