Физика: Учебно-методический комплекс по оптике

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра общей и экспериментальной физики

53(07) Ш957

А.А. Шульгинов

ФИЗИКА Учебно-методический комплекс по оптике

Челябинск 2005

УДК 530(076.5) Шульгинов А.А. Физика: Учебно-методический комплекс по оптике. – Челябинск, 2005. – 10 с. Учебное пособие содержит программу по физике, описания лабораторных работ и задания по оптике для самостоятельной работы студентов 2 курса. Рабочая программа соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования. Ил. 2, табл. 2, библ. список – 10 назв.

© ЮУрГУ, 2005. © Шульгинов А.А., 2005. 2

Волновая и квантовая оптика. Физика атома и ядра РАБОЧАЯ ПРОГРАММА Лекции (18 часов – 9 лекций) Таблица 1 № лекции 1

2

3 4

5 6

Содержание лекций Тема 1. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Световые волны и их свойства. Скорость распростра- Кольца нения световых волн в веществе. Показатель преломле- Ньютона ния. Отражение и преломление световых волн. Интерференция света. Пространственная и временная когерентность. Способы наблюдения интерференции. Интерференция на тонких пленках. Интерферометры Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Зоны Голография Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера на щели и на дифракционной решётке. Поляризация света. Естественный и поляризованный Двойное лучесвет. Поляризация света при отражении и преломлении. преломление Законы Брюстера и Малюса Тема 2. КВАНТОВАЯ ОПТИКА Тепловое излучение и его основные характеристики. Законы теплового излучения: Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина. Формула Рэлея – Джинса. Формула Планка Энергия и импульс световых квантов. Фотоэффект. Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Эффект Комптона Тема 3. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ Гипотеза де–Бройля. Волны де–Бройля. Дифракция электронов и атомов. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Статистическое толкование Y-функции

7

Вопросы для СРС

Уравнения Шредингера – временное и стационарное. Движение свободной частицы. Частица в одномерной потенциальной яме. Квантование энергии и импульса частицы.

3

—

— Туннельный эффект

—

8

9

Атом водорода в квантовой механике. Квантование энергии, импульса, момента импульса электрона в атоме водорода. Квантовые числа. Принцип Паули. Правила заполнения электронных орбит. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры

—

Тема 4. АТОМНОЕ ЯДРО Строение атомных ядер. Модели ядра: газовая, капельная, оболочечная. Ядерные силы. Энергия связи ядра. Дефект массы. Естественная радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Типы радиоактивного распада. Ядерные реакции. Цепные реакции. Ядерный реактор. Термоядерный синтез. Ядерный реактор

—

Решение задач и лабораторные работы (18 часов – 9 занятий) Таблица 2 № занятия 1 2 3 4

Содержание занятий Интерференция света. Лабораторная работа «Изучение колец Ньютона» Дифракция света. Лабораторные работы «Определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки» и «Измерение толщины волоса» Поляризация света. Лабораторная работа «Исследование закона Малюса и эффекта Брюстера»

СРС ДЗ №1 ДЗ №2 ДЗ№3

Контрольная работа по волновой оптике

5

Тепловое излучение. Лабораторная работа «Исследование спектра излучения лампы накаливания»

ДЗ №4

6

Квантовые свойства света. Лабораторная работа «Изучение фотоэффекта»

ДЗ №5

7

Волна де Бройля. Соотношение неопределённостей. Закон радиоактивного распада

ДЗ №6

8

Контрольная работа по квантовой оптике и квантовой механике

9

Дополнительное занятие

4

Общие замечания о решении физических задач 1. Практика показывает, что студент терпит неудачу в решении задач по физике чаще всего из-за неглубоких, формальных знаний теории. Поэтому, прежде чем приступить к решению, тщательно проработайте соответствующий теоретический материал [1–6]. 2. Внимательно прочитайте условие задачи. Если позволяет характер задачи, обязательно сделайте схематический рисунок, поясняющий ее сущность. На рисунке необходимо показать все векторные величины, используемые в задаче. Это во многих случаях резко облегчает как поиск решения, так и само решение. 3. Независимо от способа заданий исходных данных, задачи следует решать в общем виде. Для этого нужно обозначить все величины соответствующими буквами и с помощью физических законов установить математическую связь между исходными данными и искомой величиной. При этом все математические преобразования необходимо сопровождать подробным объяснением. В результате получается одно или несколько уравнений и физическая задача сводиться к математической. 4. Получив для искомой величины решение в общем виде, нужно проверить её наименование в системе СИ. Неверное наименование есть явный признак ошибочности решения. 5. Убедившись, что общее решение верно, подставляют в него числовые значения величин в СИ. Если исходные или конечные величины значительно больше или значительно меньше единицы, то числа пишут в стандартном виде (например, вместо 0,000086 м писать 8,6×10–5 м, вместо 21000 Н – число 2,1×104 Н или 21 кН и т.д.). 6. Так как числовые значения физических величин всегда бывают приближенными, то при расчетах необходимо округлять результат. В частности, в полученном значении вычисленной величины, нужно сохранить последним тот знак, единица которого превышает погрешность этой величины. Все остальные значащие цифры надо отбросить. Обычно при решении физических задач в окончательном ответе, считается достаточным оставлять три значащие цифры и обязательно указать единицы измерения результирующей величины. 7. Получив числовой ответ, нужно оценить его правдоподобность. Такая оценка может в ряде случаев обнаружить ошибочность полученного результата. 8. Примеры решения задач имеются в задачниках [7–10].

5

Практическое занятие № 1. Интерференция 1. Зеркало Ллойда расположено на расстоянии d=1 мм от луча, исходящего от источника когерентного l света. Расстояние до экрана l=1 м. Определить ширину интерференционной полосы на экране b. Длина волны d излучения l=0,7 мкм. 2. На мыльную плёнку (n = 1,3), находящуюся в воздухе, падает нормально пучок лучей белого цвета. При какой наименьшей толщине d плёнки отражённый свет с длиной волны l = 0,55 мкм окажется максимально усиленным в результате интерференции? 3. Диаметр d3 третьего светлого кольца Ньютона равно 4,8 мм. Кольца наблюдались в отражённом свете (l =0,5 мкм). Найти радиус R кривизны плосковыпуклой линзы, взятой для опыта. Рассмотреть вариант, когда кольца наблюдают в проходящем свете. Домашнее задание № 1 1. Расстояние d между двумя когерентными источниками света (l = 0,5 мкм) равно 0,1 мм. b d Расстояние b между интерференционными полоl сами на экране в средней части интерференционной картины равно 1 см. Определить расстояние l от источников до экрана. 2. Плоскопараллельная стеклянная пластинка толщиной d = 1,2 мкм и показателем преломления n = 1,5 помещена между двумя средами с показателями преломления n 1 и n2. Свет длиной волны l = 0,6 мкм падает нормально на пластинку. Определить оптическую разность хода DL волн, отражённых от верхней и нижней поверхностей пластинки, и указать, усиление или ослабление интенсивности света происходит при интерференции в следующих случаях: а) n1