Физика. Практикум для 2 курса

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ

ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ 

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ГПС МЧС РОССИИ

«ФИЗИКА. ПРАКТИКУМ ДЛЯ 2 КУРСА»

для организации самостоятельной работы 

обучающихся дисциплине «ФИЗИКА» 

специальности 20.05.01 Пожарная безопасность

направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность

Допущено ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия 
Государственной противопожарной службы МЧС России в качестве 

учебного пособия

Железногорск

2023

УДК 311:004.9R
ББК 60.6с515

Б77

Авторы: Миловидова Татьяна Анатольевна, канд. физ-мат. наук

Стыран  Анжелика Манцуровна, канд.тех.наук

Рецензент: Усков В.С., канд. физ-мат. наук,

доцент кафедры физико-технических основ безопасности

Уральского института ГПС МЧС России

Б77
Миловидова Т.А., Стыран А.М. Физика. Практикум для 2
курса. – Железногорск: ФГБОУ ВО Сибирская пожарноспасательная академия ГПС МЧС России, 2023. – 152 с.

Практикум предназначен для организации самостоятельной работы 

обучающихся очной формы обучения и слушателей заочной формы 
обучения 
при 
обучении 
по 
специальности 
20.05.01 
–
Пожарная 

безопасность,
направлению 
подготовки 
20.03.01
–
Техносферная 

безопасность
в ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия 

ГПС МЧС России.

УДК 311:004.9R
ББК 60.6с515

© ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России , 2023

© Миловидова Т.А., Стыран А.М. 2023

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………..
Раздел 1. Волновая оптика…………………………….………………..

1.1. Интерференция света…………………...……………..……
Задачи для самостоятельного решения………………………..
1.2. Дифракция света…………….………………………...….....
Задачи для самостоятельного решения…………………………
1.3. Поляризация света………………………….…..…………...
Задачи для самостоятельного решения………………...……..

Раздел 2. Основы молекулярной физики и термодинамики.…………

2.1. Основные законы идеального газа..………………………..
Задачи для самостоятельного решения..………………………
2.2. Первое начало термодинамики………………………..…...
Задачи для самостоятельного решения…………………….…
2.3. Энтропия. Второе начало термодинамики………..……..
Задачи для самостоятельного решения…………………………
2.4. Реальные газы……………………………………………….
Задачи для самостоятельного решения……………………….

4
5
5
8
11
15
18
24

26
26
30
31
35
37
40
42
46

Раздел 3. Квантовая физика..……………………………………………

3.1. Основные законы теплового излучения………………….
Задачи для самостоятельного решения………………………
3.2. Фотоэффект. Эффект Комптона…………………………..
Задачи для самостоятельного решения……………………….
3.3. Волновые свойства микрочастиц..……………………….
Задачи для самостоятельного решения……………………….
3.4. Атом водорода по теории Бора…………………………..
Задачи для самостоятельного решения……………………….

48
48
62
64
75
77
97
100
115

Раздел 4. Ядерная физика……………………………………………….

4.1. Физика атомного ядра. Радиоактивность………………..
Задачи для самостоятельного решения……………………….
4.2. Ядерные реакции…………………………………………..
Задачи для самостоятельного решения……………………….

117
117
130
132
143

Список литературы……………………………….………………...........
Приложения……………………………………………………….………

146
147

ВВЕДЕНИЕ

Практикум составлен в соответствии с рабочими программами учебной 

дисциплины «Физика», разработанной в соответствии с федеральным 
государственным образовательным стандартом высшего образования по 
специальности 20.05.01 Пожарная безопасность, 
квалификация (степень) 

специалист, направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность,
квалификация (степень) бакалавр
и предназначен,
прежде всего,
для 

слушателей заочной формы обучения, хотя может быть использован при 
самостоятельной работе также курсантами и студентами очной формы 
обучения.

Цель
составления данного практикума: многократное вхождение 

обучающихся в материал для прочного усвоения теоретического материала, 
овладение специальными методами, приемами решения определенных типов 
задач, 
получение устойчивого навыка
решения задач
и применения 

полученных знаний и умений в своей профессиональной деятельности.

В данное издание вошли следующие разделы: «Волновая оптика», 

«Основы молекулярной физики и термодинамики», «Квантовая физика» и 
«Ядерная физика».

Каждый раздел включает:

 краткие теоретические сведения;
 перечень основных формул и законов;

примеры решения задач;

 задачи для самостоятельного решения.

Часть задач, приведенных в задачнике, взято из учебников [2], [5],

остальные составлены авторами.

РАЗДЕЛ 1.  ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

1.1. Интерференция света

Интерференция света – сложение двух или более волн, при котором 

образуется постоянное во времени распределение максимумов и минимумов 
освещенности.

Интерференцию 
света 
можно 
наблюдать 
при 
наличии 
двух 

когерентных монохроматических световых волн.

Когерентными называют волны одинаковой частоты с постоянной 

разностью фаз.

Монохроматическими
называют 
волны, 
соответствующие 

определенной длине волны.

Величина, равная произведению геометрической длины пути световой 

волны в данной среде на показатель преломления этой среды, называется 
оптической длиной пути.

.
nl
L 

Разность оптических длин путей, проходимых волнами называют 

оптической разностью хода.

Если на оптической разности хода укладывается целое число длин 

волн, то наблюдается интерференционный максимум:

m
r



,  m = 0, 1, 2, …

Если на оптической разности хода укладывается нечетное число длин 

полуволн, то наблюдается интерференционный минимум:


1
2
2



m
r


,  m = 0, 1, 2, …

Число m
называют порядком 

максимум (или минимума).

Наблюдать 
интерференцию 

света 
довольно 
сложно, 
так 
как 

большинство 
источников 
света 

некогерентно. 
Для 
получения 

когерентных 
световых 
волн 

применяют метод разделения волны, 
излучаемой одним источником, на две 
части, которые после прохождения 
разных 
оптических 
путей 

накладываются друг на друга.

О

d
r

R

Рис.1.1.1

Рассмотрим два способа наблюдения интерференции света: кольца 

Ньютона и интерференцию на плоской пластинке.

Установка для наблюдения колец Ньютона показана на рис.1.1.1

Плосковыпуклая линза большого радиуса прижимается к плоской пластинке, 
так что между ними образуется воздушный клин переменной толщины d
(рис. 1.1.1). Параллельный пучок света падает нормально на плоскую 
поверхность линзы. Часть пучка отражается от верхней  поверхности 
воздушного клина, другая часть отражается от плоской пластинки. При 
наложении отраженных лучей возникают полосы равной толщины, имеющие 
вид концентрических колец.

Радиусы светлых и темных колец Ньютона при наблюдении 

интерференции в отраженном свете:


 R
m
rm

2
/
1


,
(1.1.1)

R
m
rm


.
(1.1.2)

В проходящем свете расположение светлых и темных колец обратно их 

расположению в отраженном свете.

Рассмотрим 
прозрачную 

пластинку, 
на 
которую 
падает 

параллельный 
пучок 
света
(рис. 

1.1.2). Если свет падает на такую 
пластинку, то он отражается двумя 
поверхностями 
этой 
пластинки: 

верхней и нижней. Вышедшие из 
пластинки лучи 1 и 2 когерентны и 
при 
их 
сложении 
возникает 

интерференционная 
картина, 

представляющая 
собой 

чередующиеся темные и светлые 

полосы.

Условие максимума (светлые полосы) при наблюдении интерференции 

в отраженном свете в плоскопараллельных пластинках имеет вид:


1
2
2
cos
2


m
dn


,
(1.1.3)

Условие минимума (темные полосы):

m
dn

 
cos
2
,
(1.1.4)

где  - угол преломления, m – порядок максимума (минимума).

Рис. 1.1.2

1

2





d


Примеры решения задач

Задача 1. На мыльную пленку падает белый свет под углом 450 к 

поверхности пленки. При какой минимальной толщине пленки отраженные 
лучи будут окрашены в желтый цвет ( = 600 нм)? Показатель преломления 
мыльной воды n = 1,33.

Решение:

Найдем угол преломления:

53
,0
33
,1
/
45
sin
/
sin
sin

0



n


, откуда

0
32


.

Запишем условие максимума в соответствии с формулой (1.1.3):


1
2
2
cos
2


m
dn


, следовательно, для минимальной толщины 

при m = 0 имеем:

нм
м
n
d
130
10
3,1
85
,0
33
,1
4

10
6

cos
4

7

7



















.

Ответ: d = 130 нм.

Задача 2.
Установка для получения колец Ньютона освещается 

монохроматическим 
светом, 
падающим 
по 
нормали 
к 
поверхности 

пластинки. Наблюдение ведется в отраженном свете. Расстояние между 
вторым и двадцатым темными кольцами 4,8 мм. Найти расстояние между 
третьим и шестнадцатым темными кольцами.

Решение:

Радиусы темных колец Ньютона в отраженном свете определяются по 

формуле (1.1.2):

R
m
rm


.

Следовательно

R
m
R
m
l


1
2
1


, откуда

1
2

1

m
m

l
R



.

Найдем расстояние между третьим и шестнадцатым кольцом:








.
6,3
3
16

2
20

8,4

3
4

1
2

1

3
4
3
4
2

мм
m
m

m
m

l

m
m
R
R
m
R
m
l






















Ответ: l2 = 3,6 мм.

Задача 3.
Установка для получения колец Ньютона освещается 

монохроматическим светом с длиной волны  = 600 нм, падающим по 
нормали к поверхности пластинки. Найти толщину воздушного слоя между 
линзой и стеклянной пластинкой в том месте, где наблюдается четвертое 
темное кольцо в отраженном свете.

Решение:

Из прямоугольного треугольника на рис. 1.1.1 имеем:



Rd
d
Rd
d
R
R
r
2
2
2
2
2
2






,

поскольку d << R.

Следовательно, толщина воздушного слоя связана с радиусами колец 

Ньютона по формуле:

Rd
r
2

2 
.

С другой стороны, радиус четвертого кольца Ньютона в отраженном 

свете по формуле (1.1.2)

R
m
rm


.

Поэтому

Rd
R
m
2


,

нм
m
d
1200
2

4
600

2



 

.

Ответ: d = 1200 нм.

Задачи для самостоятельного решения:

1.1.1. На мыльную пленку падает белый свет под углом 300 к 

поверхности пленки. При какой толщине пленки отраженные лучи будут 
окрашены в синий цвет ( = 400 нм)? Показатель преломления мыльной воды 
n = 1,3.

1.1.2. 
Установка 
для 
получения 
колец 
Ньютона 
освещается 

монохроматическим 
светом, 
падающим 
по 
нормали 
к 
поверхности 

пластинки. Наблюдение ведется в отраженном свете. Расстояние между 
вторым и двенадцатым темными кольцами 2,6 мм. Найти расстояние между 
пятым и девятнадцатым темными кольцами.

1.1.3 
Установка 
для 
получения 
колец 
Ньютона 
освещается 

монохроматическим светом с длиной волны  = 400 нм, падающим по 
нормали к поверхности пластинки. Найти толщину воздушного слоя между 
линзой и стеклянной пластинкой в том месте, где наблюдается пятое светлое 
кольцо в отраженном свете.

1.1.4. 
Установка 
для 
получения 
колец 
Ньютона 
освещается 

монохроматическим светом с длиной волны  = 500 нм, падающим по 
нормали к поверхности пластинки. Найти толщину воздушного слоя между 
линзой и стеклянной пластинкой в том месте, где наблюдается второе 
светлое кольцо в проходящем свете.

1.1.5. Установка для получения колец Ньютона освещается белым 

светом, падающим по нормали к поверхности пластинки. Радиус кривизны 
линзы R = 10 м. Наблюдение ведется в отраженном свете. Найти радиусы 
первого синего кольца ( = 400 нм) и второго красного кольца( = 720 нм).

1.1.6. 
Установка 
для 
получения 
колец 
Ньютона 
освещается 

монохроматическим 
светом, 
падающим 
по нормали 
к 
поверхности 

пластинки. Радиус кривизны линзы R = 8,6 м. Наблюдение ведется в 
отраженном свете. Радиус четвертого темного кольца r4 = 4,5 мм. Найти 
длину волны падающего света.

1.1.7. Разность радиусов 5-го и 25-го колец Ньютона равна 9 мм. 

Радиус кривизны линзы R = 15 м. Найти длину волны монохроматического 
света, падающего нормально на установку. Наблюдение ведется в 
отраженном свете.

1.1.8. На стеклянную пластинку положена плосковыпуклая линза 

выпуклой стороной. При нормальном падении красного света (λ = 610 нм) 
радиус 5-го светлого кольца Ньютона равен 5 мм. Определить: а) радиус 
кривизны выпуклой границы линзы; б) оптическую силу линзы (показатель 
преломления линзы n = 1,5); в) радиус 3-го светлого кольца. Наблюдение 
ведется в отраженном свете.

1.1.9. На установке для наблюдения колец Ньютона был измерен в 

отраженном свете радиус третьего темного кольца. Когда пространство 
между пластинкой и линзой заполнили жидкостью, то тот же радиус стало 
иметь кольцо с номером, на единицу большим. Определить показатель 
преломления жидкости.

1.1.10. Установка для наблюдения колец Ньютона в отраженном свете 

освещается нормально монохроматическим светом. После того, как 
пространство между линзой и стеклянной пластинкой заполнили жидкостью, 

радиусы темных колец уменьшились в 1,25 раза. Найти
показатель 

преломления жидкости.

1.1.11. Установка для наблюдения колец Ньютона в отраженном свете 

освещается монохроматическим светом с длиной волны 500 нм, падающим 
нормально. Пространство между линзой и стеклянной пластинкой заполнено 
водой. Найти толщину слоя воды между линзой и пластинкой в том месте, 
где наблюдается третье светлое кольцо.

1.1.12. При наблюдении колец Ньютона в отраженном синем свете (λ = 

450 нм) с помощью плосковыпуклой линзы, положенной на плоскую 
пластинку, радиус третьего светлого кольца оказался равным 1,06 мм. После 
замены синего светофильтра на красный был измерен радиус пятого светлого 
кольца, оказавшийся равным 1,77 мм. Найти радиус кривизны R линзы и 
длину волны красного света.

1.1.13. Пучок белого света падает по нормали к поверхности 

стеклянной пластинки толщиной d = 0,4 мкм. Показатель преломления стекла 
n = 1,5. Какие длины волн, лежащие в пределах видимого спектра (от 400 до 
700 нм), усиливаются в отраженном свете?

1.1.14. Сколько длин волн монохроматического света с частотой 

колебаний ν = 500 ТГц уложится на пути длиной l = 1,2 мм в вакууме и в 
стекле (n = 1,5)?

1.1.15. Определить длину l1 отрезка, на котором укладывается столько 

же длин волн в вакууме, сколько их укладывается на отрезке l2 = 3 мм в воде 
(n = 1,33).

1.1.16. На пути световой волны, распространяющейся в воздухе, 

поставили стеклянную пластинку толщиной 1 мм. На сколько изменится 
оптическая длина пути, если волна падает на пластинку: а) нормально; б) под 
углом 300 к поверхности пластинки.

1.1.17. В опыте Юнга расстояние между щелями равно 0,8 мм. На 

каком расстоянии от щелей необходимо расположить экран, чтобы ширина 
интерференционной полосы была равна 2 мм?

1.1.18. При каких толщинах d пленки исчезают интерференционные 

полосы при освещении ее светом с длиной волны λ = 0,6 мкм? Показатель 
преломления пленки n = 1,5.

1.1.19. В опыте Юнга вначале берется источник света с длиной волны 

λ1 = 600 нм, а затем – λ2. Какова длина волны во втором случае, если 7-я 
светлая полоса в первом случае совпадает с 10-й темной во втором?

1.1.20. Определить радиус 4-го темного кольца Ньютона, если между 

линзой с радиусом кривизны 5 м и плоской поверхностью, к которой она 
прижата, находится вода (n = 1,33). Длина волны света λ = 589 нм. 
Наблюдение ведется в отраженном свете.

1.1.21. 
Между 
стеклянной 
пластинкой 
и 
лежащей 
на 
ней 

плосковыпуклой 
стеклянной 
линзой 
налита 
жидкость, 
показатель 

преломления которой меньше показателя преломления стекла. Радиус