Основы физики. Том 2. Колебания и волны. Квантовая физика. Физика ядра и элементарных частиц
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общая физика
Издательство:
Физматлит
Под ред.:
Дик Юрий Иванович
Год издания: 2003
Кол-во страниц: 552
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9221-0383-1
Артикул: 751148.01.99
Данная книга является первой частью двухтомника, в котором основы физики излагаются па современной основе. Вопросы механики связаны С теорией относительности и соотношением неопределенностей; законы сохранения энергии, импульса и момента импульса — с принципами симметрии пространства и времени: основы термодинамики — с молекулярной статистикой и строением вещества; гидромеханика — с теорией ударных воли. От читателя требуется лишь основательное знание физики, алгебры и начал тригонометрии в объеме восьмилетней шкичы.
Для учащихся школ, гимназий, лицеев с углубленным изучением физико-математических дисциплин, для подготовки к конкурсным экзаменам в вузы.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- 04.03.02: Химия, физика и механика материалов
- 14.03.01: Ядерная энергетика и теплофизика
- 16.03.01: Техническая физика
- ВО - Магистратура
- 03.04.02: Физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Основы физики Колебания и волны. Квантовая физика. Физика ядра и элементарных частиц ! "#" $%%& % '()* +$$, %&-& % . / .0. . 1 23 45 6 6 7 8 0/ 3 . 6 917 65 . 7 02 :6 10 ; 7 5 . </ 614 02 66 614 02 1=16 66 1 6; 7 6 6 6 04 0. 6 > ; /65 4 75 0 ? 0. 4 . 0:2 02 8 0/7 0 /6 @6 260 : 07 0. 4>5 . : 0 /6 0= 4/ 04076 46 8 6 6 5 =10 0. 1 / 476 < 66 4 7
О ЛАВЛЕНИЕ Ч а с т ь VI Ко лебания и во лны л а в а 49. армонические к о лебания . . . . . . . . . . . . . . . . 9 49.1. армонический осциллятор (9). 49.2. Частот а и перио д к о лебаний (11). 49.3. Энергия г армоническ ого осциллятора (12). 49.4. Запись к о лебаний (13). 49.5. Сло ж ение к о лебаний о динак овой частоты (15). 49.6. Векторные диаграммы (16). л а в а 50. армонический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 50.1. Сло ж ение к о лебаний с близкими частот ами (17). 50.2. Моду лированные к о лебания (18). 50.3. Сло ж ение к о лебаний с кратными частот ами (19). 50.4. Р азло ж ение Фурье. Спектр (21). л а в а 51. Свобо дные к о лебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 51.1. Пружинный маятник (22). 51.2. Степень затух ания. Добротность (23). 51.3. Математический маятник (25). 51.4. Физический маятник (26). 51.5. Ко лебательный к онтур (28). 51.6. Энергия, собственная частот а и добротность к онтура (29). 51.7. Единый по дх о д к изучению к о лебаний (30). л а в а 52. Авток о лебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 52.1. Авток о лебательная система (34). 52.2. Часы (36). 52.3. енератор незатух ающих э лектромагнитных к о лебаний (36). 52.4. Самовозбуждение авток о лебаний (38). л а в а 53. Вынужденные к о лебания . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 53.1. Сину соидальная вынуждающая сила (39). 53.2. Р езонанс (41). 53.3. Р езонанс и г армонический анализ (42). 53.4. По луширина резонансной кривой. Избирательность (43). 53.5. Процесс у ст ановления вынужденных к о лебаний (44). 53.6. У ст ановление к о лебаний при резонансе (45). 53.7. Соотношение неопределенностей для частоты и времени (46). л а в а 54. Переменный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 54.1. Синхронный генератор переменного ток а (47). 54.2. Цепь переменного ток а (49). 54.3. Активное сопротивление (50). 54.4. Действующие зна чения ток а и напр яж ения (50). 54.5. Емк остное сопротивление (52). 54.6. Индуктивное сопротивление (52). 54.7. Зак он Ома для цепи переменного ток а (53). 54.8. Мощность переменного ток а (54). 54.9. Трансформатор (55). 54.10. Переда ча энергии на рассто яние (57). л а в а 55. Упругие во лны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 55.1. Поперечные и про до льные во лны (58). 55.2. Ск орость упругих во лн (59). 55.3. Энергия и интенсивность во лны (61). 55.4. Затух ание во лн (61).
Оглавление л а в а 56. Уравнение во лны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 56.1. Длина во лны (63). 56.2. Уравнение плоск ой во лны (65). 56.3. Уравнение сферическ ой во лны (66). 56.4. Эффект Доплера в аку стик е (67). 56.5. Отраж ение и преломление во лн (69). 56.6. Коэффициенты отраж ения и прозра чности (71). л а в а 57. Интерференция и дифракция . . . . . . . . . . . . . 72 57.1. Принцип суперпозиции (72). 57.2. Сто ячие во лны (74). 57.3. Собственные частоты (75). 57.4. Интерференция (76). 57.5. Интерференция от двух источник ов (78). 57.6. Интерференция от неск о льких источник ов (81). 57.7. Интенсивность г лавных мак симумов (82). 57.8. Дифракция (83). 57.9. Дифракция на пр ямоуго льной щели (85). 57.10. Преломление во лн и интерференция (86). л а в а 58. Элементы аку стики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 58.1. Характеристики звук а (89). 58.2. Источники звук а (91). 58.3. У ль тразвук овые преобразователи (93). 58.4. Приемники звук а (94). 58.5. Ух о (95). 58.6. Особенности инфраи у ль тразвук ов (97). Ч а с т ь VII Электромагнитные во лны и основы оптики л а в а 59. Электромагнитные во лны . . . . . . . . . . . . . . . . 101 59.1. Ск орость э лектромагнитных во лн (101). 59.2. Плоск ая сину соидальная во лна (102). 59.3. Световое давление (103). 59.4. Излучение э лектромагнитных во лн у ск оренно движущимс я зар ядом (105). 59.5. Излучение к о леблющегос я зар яда и дипо ля (107). 59.6. Излучение цирку лирующего зар яда (108). 59.7. Излучение ВавиловаЧеренк ова (110). 59.8. Эффект Доплера в оптик е (111). л а в а 60. Элементы радиотехники . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 60.1. Р адиосвязь (113). 60.2. Р адиовещание (114). 60.3. Т елевидение (116). 60.4. У силитель (116). 60.5. Детектирование (демо ду ляция) (118). л а в а 61. Интерференция свет а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 61.1. Шк ала э лектромагнитных во лн (120). 61.2. Во лновой цуг . Световой вектор (121). 61.3. Соотношение неопределенностей для к оор динаты и во лнового чис ла (122). 61.4. Моно хроматичность (124). 61.5. Интерференция свет а (127). 61.6. Когерентность (128). 61.7. Р ассто яние между интерференционными мак симумами (130). 61.8. Интерферометр Майк ельсона (132). 61.9. Применение интерференции (134). л а в а 62. Дифракция свет а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 62.1. Дифракция на о дном отверстии (135). 62.2. Дифракционная решетк а (135). 62.3. Уг ловая ширина г лавного
Оглавление 5 мак симума (137). 62.4. Р азрешающая способность решетки (138). 62.5. Дифракция рентгеновск ого излучения (139). 62.6. Дифракция в трехмерной решетк е (140). 62.7. Р ентгеноструктурный анализ (142). 62.8. Р ассеяние свет а (144). л а в а 63. Дисперсия и пог лощение . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 63.1. Пок азатель преломления свет а (146). 63.2. Коэффициенты отраж ения и прозра чности (148). 63.3. Дисперсия (149). 63.4. Дисперсия и спектральное разло ж ение (151). 63.5. Электронная теория дисперсии (152). 63.6. Нормальная и аномальная дисперсия (153). 63.7. Пог лощение свет а (155). 63.8. Фазовая и групповая ск орость (156). 63.9. Измерение ск орости свет а (158). л а в а 64. По ляризация свет а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 64.1. По ляризованный и естественный свет (161). 64.2. Анализатор. Зак он Малюса (162). 64.3. Двойное лучепреломление (164). 64.4. Причина двойного лучепреломления (166). 64.5. Дихроизм (167). 64.6. По ляроид по ляризатор и анализатор (168). 64.7. Вращение плоск ости по ляризации (169). 64.8. Оптическ ая активность в живой приро де (171). л а в а 65. еометрическ ая оптик а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 65.1. Основные зак оны геометрическ ой оптики. Пучок и луч (172). 65.2. Преломление свет а. По лное отраж ение (174). 65.3. Призма (178). 65.4. Линза (181). 65.5. Построение изображ ений в тонк ой линзе (185). 65.6. Недост атки линз (188). 65.7. Сферическ ое зерк ало (190). л а в а 66. Оптические приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 66.1. Фотометрия (192). 66.2. лаз (195). 66.3. Акк омо дация. Биноку лярное зрение (197). 66.4. Уго л зрения. Р азрешающая способность г лаза (199). 66.5. Лупа (200). 66.6. Микроск оп (201). 66.7. Т елеск оп (202). 66.8. Р азрешающая способность оптическ ого прибора (205). 66.9. Проекционная аппаратура (207). 66.10. Спектральные приборы (209). 66.11. о лография (210). Ч а с т ь VIII Основы квантовой физики атомов, мо леку л и твер дых тел л а в а 67. Т епловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 67.1. Т епловое излучение (215). 67.2. Зак оны излучения абсо лютно черного тела (217). 67.3. Идеи Планк а. Форму ла Планк а для теплового излучения (219). 67.4. Квантовая теория теплоемк ости и теплового расширения твер дых тел (221). л а в а 68. Основы квантовой оптики . . . . . . . . . . . . . . . . 224 68.1. Фотоэ лектрический эффект (224). 68.2. Зак оны внешнего фотоэффект а (225). 68.3. Понятие о квантовой приро де све
Оглавление т а. Квантовое объяснение зак онов внешнего фотоэффект а (227). 68.4. Фото химические действия свет а (231). 68.5. Импу льс фотона. Световое давление с квантовой точки зрения (232). 68.6. Эффект Комптона (235). 68.7. Корпу ску лярно-во лновая двойственность свойств свет а (238). 68.8. Фотон релятивистск ая безмассовая частица (241). 68.9. Флукту ация фотонов (244). 68.10. Фотоны и ньютоновск ая к орпу ску лярная теория свет а (247). л а в а 69. Во лновые свойства частиц вещества . . . . . . . 251 69.1. Корпу ску лярно-во лновая двойственность свойств частиц вещества (251). 69.2. Во лновые свойства нейтронов, атомов и молеку л (257). 69.3. Физический смыс л во лн де Бройля (260). 69.4. Фоку сировк а э лектронных пучк ов (264). 69.5. Электронный микроск оп (266). 69.6. Ионный проектор (267). л а в а 70. Понятие о квантовой мех аник е . . . . . . . . . . . . 269 70.1. Понятие о во лновой функции (269). 70.2. Соотношения неопределенностей айзенберг а (271). 70.3. Движ ение свобо дной частицы (277). 70.4. Частица в потенциальной яме пр ямоуго льной формы (279). 70.5. Линейный г армонический осциллятор в квантовой мех аник е (284). 70.6. Про х о ждение частицы сквозь потенциальный барьер (288). л а в а 71. Во доро допо добные системы по Бору . . . . . . . 293 71.1. Ядерная мо дель атома Р езерфор да (293). 71.2. Тру дности классическ ого объяснения ядерной мо дели атома (297). 71.3. Линейчатый спектр атома во доро да (299). 71.4. Посту латы Бора (303). 71.5. Квантование энергии и вычис ление посто янной Ридберг а в теории Бора (306). 71.6. Опыты Франк а и ерца (309). л а в а 72. Во доро допо добные системы в квантовой мех аник е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 72.1. Квантование энергии э лектрона атома во доро да (312). 72.2. Квантование момент а импу льса (315). 72.3. Физический смыс л боровских орбит (316). 72.4. Пространственное квантование (316). 72.5. Еще о спине э лектрона (318). 72.6. Т онк ая структура спектральных линий (322). 72.7. Квантовомех анический смыс л посту латов Бора (323). 72.8. Спонт анное (самопроизво льное) излучение свет а (325). 72.9. Вынужденное (индуцированное) излучение свет а (328). л а в а 73. Многоэ лектронные атомы . . . . . . . . . . . . . . . . 331 73.1. Принцип Па у ли (331). 73.2. Перио дическ ая система э лементов Менделеева (334). 73.3. Т ормозное рентгеновск ое излучение (339). 73.4. Характеристическ ое рентгеновск ое излучение (341). л а в а 74. Строение мо леку л и их спектры . . . . . . . . . . . 346 74.1. Общая х арактеристик а химических связей (346). 74.2. Ионные мо леку лы (348). 74.3. Мо леку лы с к овалентной химическ ой связью (350). 74.4. Понятие о мо леку лярных спектрах (353).
Оглавление 7 л а в а 75. Электрическ ая прово димость мет аллов в современной теории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 75.1. Недост атки классическ ой теории э лектрическ ой прово димости мет аллов (357). 75.2. Квантование энергии э лектронов в мет алле (359). 75.3. Уровень Ферми для э лектронов в мет алле (360). 75.4. Понятие об импу льсном пространстве э лектронов в мет алле (362). 75.5. Понятие о выро ждении э лектронов в мет алле (365). 75.6. Р аспределение э лектронов в мет алле по энергиям при абсолютном ну ле (367). 75.7. Влияние температуры на распределение э лектронов по энергиям (369). 75.8. Т еплоемк ость выро жденного э лектронного г аза (371). 75.9. Понятие о квантовой теории проводимости мет аллов (373). 75.10. Явление свер хпрово димости (376). 75.11. Конт актные явления на границе мет аллов (381). л а в а 76. Элементы зонной теории крист аллов . . . . . . . 384 76.1. Понятие о зонной теории твер дых тел (384). 76.2. Р асщепление энергетических уровней валентных и внутренних э лектронов в атомах твер дого тела (386). 76.3. Р аспо ло ж ение энергетических зон в твер дом теле. Внутризонные и междузонные перех о ды э лектронов (389). 76.4. Мет аллы и диэ лектрики в зонной теории (391). 76.5. Зонная теория собственной и примесной прово димости по лупрово дник ов (393). л а в а 77. Нек оторые оптические свойства вещества . . . 396 77.1. Комбинационное рассеяние свет а (396). 77.2. Люминесценция (399). 77.3. Отрицательное пог лощение свет а (402). 77.4. Оптические квантовые генераторы (405). Ч а с т ь IX Основы физики ядра и э лемент арных частиц л а в а 78. Основные свойства и строение атомных ядер 415 78.1. Зар яд и масса атомных ядер (415). 78.2. Спин и магнитный момент ядра (417). 78.3. Сост ав ядра (419). 78.4. Энергия связи ядра. Дефект массы (423). 78.5. Ядерные силы (426). 78.6. Р азмеры ядер (432). 78.7. Капельная мо дель ядра (433). л а в а 79. Естественная радиоактивность . . . . . . . . . . . . 435 79.1. Общие сведения о радиоактивных излучениях (435). 79.2. Правила смещения при радиоактивных превращениях (437). 79.3. Основной зак он радиоактивного распада (439). 79.4. Активность и ее измерение (441). 79.5. Как по льзоватьс я зак оном радиоактивного распада (443). 79.6. Ст атистический х арактер явления радиоактивного распада (444). 79.7. Испо льзование явления радиоактивности для измерения времени в гео логии и арх еологии (445). 79.8. Эк сперимент альные мето ды изучения радиоактивных излучений и частиц (448). 79.9. Понятие о теории радиоактивного -распада (453). 79.10. амма-излучение (456). 79.11. Эффект М¼ссбауэра (458). 79.12. Понятие о зак ономерност ях -распада (464).
Оглавление л а в а 80. Иску сственные превращения атомных ядер . 469 80.1. Превращение азот а в кис лоро д. Открытие нейтрона (469). 80.2. Явление иску сственной радиоактивности (472). 80.3. Возникновение и уничто ж ение э лектронно-позитронных пар (474). 80.4. Сост авное ядро. Общая х арактеристик а ядерных реакций (476). 80.5. Понятие о взаимо действии нейтронов с веществом (479). 80.6. Трансурановые э лементы (481). 80.7. Деление ядер (482). 80.8. Энергия активации деления. Спонт анное деление ядер (486). 80.9. Цепная реакция деления (489). 80.10. Ядерные реакторы (491). 80.11. А томная бомба (495). 80.12. Т ермо ядерные реакции (496). 80.13. Сж атие и у дер ж ание плазмы (502). л а в а 81. Элемент арные частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507 81.1. Два по дх о да к структуре э лемент арных частиц (507). 81.2. Основные х арактеристики э лемент арных частиц (509). 81.3. Краткие сведения о к осмическ ом излучении (511). 81.4. Лептоны (511). 81.5. Мезоны (515). 81.6. Барионы (520). 81.7. Р о ль э лектромагнитного взаимо действия в ядерной физик е (522). 81.8. Античастицы (524). 81.9. Фундамент альные взаимо действия и взаимопревращения частиц (531). 81.10. Понятие о классифик ации э лемент арных частиц (535). Предметный ук азатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
= 1 и на чальная 0 s: (49.3) 2 : k m r = A; (49.4) м S л а в а 49 A os (! t + ') = ! Ч а с т ь VI 2 s = A os (! t + '); (49.1) v = ! A sin (! t + '); (49.2) x = os ! t; г де ! = a = ! К ОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ = 0, мы с помощью чис ленных мето дов нашли зак он 0 49.1. армонический осциллятор АРМОНИЧЕСКИЕ К ОЛЕБАНИЯ 1. В 8.4 было рассмотрено движ ение материальной точки 2. В форму ле (49.1) величина s называетс я смещением . СмеМо жно пок азать, что справедливо и обратное заключение. А Для этого с леду ет вспомнить определения мгновенной ск ос массой m по д действием упругой силы F = k x. По лаг ая, что к осину с бо льше единицы не бывает . Эт а величина называетс я Мгновенная ск орость точки ок азалась равной v = ! sin ! t. в на чальный момент времени смещение точки x выраж ение (49.1). смещение точки от по ло ж ения равновесия равно A, поск о льку ск орость v движ ения в виде именно, ес ли материальная точк а движ етс я по зак ону щение равно рассто янию от к о леблющейс я точки до по ло ж ения равновесия в произво льный момент времени. Мак симальное амплиту дой смещения : то ее мгновенная ск орость и у ск орение выраж аютс я т ак: амплиту да являетс я существенно по ло жительной величиной. рости (1.5) и у ск орения (4.4) и дважды про дифференцировать г де индек с ¾ м ¿ озна чает мак симальное зна чение. По смыс лу
: : (49.7) 0 0 0 v ! s a П T t s: (49.6) 2 = ! A sin ': a ; tg ' = 0 2 = ! A: (49.5) 0 м υ A V П ! v Рис. 49.1 V и на чальной ск орости v + 0 2 0 F = ma = m! s s a r = A os '; v 0 s , υ , a s A = s 0 υ 0 0 T /4 T /2 3 T /4 0 z 0 0 z E w 4. Переменная ! t + ' являетс я аргументом к осину са и назы3. С помощью второго зак она Ньютона найдем силу , дейКак нетру дно убедитьс я из (49.2), амплиту да ск орости рафики смещения, ск орости и у ск орения г армоническ ого 5. Ес ли зак он движ ения материальной точки выраж аетс я ваетс я ф азой колебания ; параметр ' называетс я начальной ф азой . quasi к ак бу дто). Совместно с амплиту дой на чальная фаза определяет по ло ж ение и ск орость к о леблющейс я точки в на чальный момент времени. В самом деле, из (49.1) и (49.2) при t = 0 по лучим зна чения шающая г армонические к о лебания, называетс я гармоническим циональна смещению и имеет противопо ло жный знак (см. 5.3). Поэтому данная сила называетс я квазиупругой (от латинск ого на чального смещения s эт а точк а совершает гармонические колебания . Система, соверосциллятором (от латинск ого os illum к о лебание). Мы видим, что эт а сила по добна упругой силе она пропор10 Часть VI. Колебания и волны ствующую на тело: Отсю да с леду ет , что амплиту да и фаза к о лебания определяютс я на чальными у с ловиями (см. г л. 8): осциллятора изображ ены на рис. 49.1. Обратите внимание на то, в виде сину соидальной функции времени (49.1), то говор ят , что