ПОНЯТИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЕ МИРА

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие……………………………………………………… 4

Общие методические указания…………………………………. 5

Понятие о физической картине мира…………………………… 8

Рабочая рограмма………………………………………………… 12

Фундаментальные физические постоянные……………………. 19

Учебные материалы по разделам курса физики.

I. Физические основы механики, молекулярной физики

и термодинамики. Пояснения к рабочей программе…………... 22

Примеры решения задач…………………………………………. 32

Контрольная работа №1…………………………………………. 44

II. Основы электродинамики.

Пояснения к рабочей программе………………………………... 49

Примеры решения задач…………………………………………. 55

Контрольная работа №2…………………………………………. 65

III. Колебания. Волны. Оптика.

Пояснения к рабочей программе……………………………….. 72

Примеры решения задач………………………………………… 79

IV. Элементы атомной и ядерной физики и физики твердого тела.

Пояснения к рабочей программе……………………………….. 87

Примеры решения задач………………………………………… 90

Контрольная работа №3………………………………………… 97

Список литературы……………………………………………… 105

ПРЕДИСЛОВИЕ

Физика – наука о природе: о строении, свойствах и взаимодействии составляющих ее материальных тел и полей. Главная цель этой науки – выявить и объяснить законы природы, которые определяют все физические явления. Физика основывается на экспериментально установленных фактах. Занимая центральное место среди других наук в объяснении законов природы, она играет первостепенное значение в формировании научного материалистического мировоззрения.

Основными задачами курса физики в вузах являются:

1. Создание основ теоретической подготовки в области физики, позволяющей будущим инженерам ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающей возможность использования новых физических принципов в тех областях техники, в которых они специализируются;

2. Формирование научного мышления, в частности, правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов, теорий и умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или математических методов исследования;

3. Усвоение основных физических явлений и законов классической и современной физики, методов физического исследования;

4. Выработка приемов и навыков решения конкретных задач из разных областей физики, помогающих в дальнейшем решать инженерные задачи;

5. Ознакомление с современной научной аппаратурой и электронно-вычислительной техникой, выработка у студентов начальных навыков проведения экспериментальных исследований различных физических явлений и оценки погрешности измерений.

Цель настоящего учебно-методического пособия – оказать помощь студентам заочного отделения технических специальностей высших учебных заведений в изучении курса физики.

Материал курса физики разделен на три контрольные работы. Перед каждым контрольным заданием даются пояснения к рабочей программе, приводятся основные законы и формулы, примеры решения задач. Кроме того, в пособии даны общие методические указания, рабочая программа, примерная схема решения задач и некоторые справочные материалы.

Сведения, связанные со спецификой изучения курса физики в данном вузе, сообщаются студентам кафедрами физики дополнительно.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедры физики вузов организуют чтение лекций, практические занятия и лабораторные работы. Поэтому процесс изучения физики состоит из следующих этапов:

1. проработка установочных и обзорных лекций;

2. самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;

3. выполнение контрольных работ;

4. прохождение лабораторного практикума;

5. сдача зачетов и экзаменов.

При самостоятельной работе над учебным материалом необходимо:

1. составлять конспект, в котором записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения основных физических понятий и сущность физических явлений и методов исследования;

2. изучать курс физики систематически, так как в противном случае материал будет усвоен поверхностно.

Контрольные работы позволяют закрепить теоретический материал курса. В процессе изучения физики студент должен выполнить три контрольные работы. Решение задач контрольных работ является проверкой степени усвоения студентом теоретического курса, а рецензии на работу помогают ему доработать и правильно освоить различные разделы курса физики. Перед выполнением контрольной работы необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной теме, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами. Прежде чем приступить к решению той или иной задачи, необходимо хорошо понять ее содержание и поставленные вопросы.

Материал курса общей физики, изучаемый студентами инженерно-технических специальностей, соответствует учебным планами согласно которым предусмотрено три контрольные работы. Темы контрольных работ распределены следующим образом:

1 - физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики;

2 - физические основы электродинамики;

3 - волновая оптика, квантовая природа излучения, элементы атомной, ядерной физики и физики твердого тела.

В данное пособие включены контрольные работы 1–3 для инженерно-технических специальностей.

Таблица вариантов

При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать следующие правила:

1. указывать на титульном листе номер контрольной работы, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр и домашний адрес;

2. контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;

3. задачу своего варианта переписывать полностью, а заданные физические величины выписать отдельно, при этом все числовые величины должны быть переведены в одну систему единиц;

4. для пояснения решения задачи там, где это нужно, аккуратно сделать чертеж;

5. решение задачи и используемые формулы должны сопровождаться пояснениями;

6. в пояснениях к задаче необходимо указывать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи;

7. при получении расчетной формулы для решения конкретной задачи приводить ее вывод;

8. задачу рекомендуется решить сначала в общем виде, т. е. только в буквенных обозначениях, поясняя применяемые при написании формул буквенные обозначения;

9. вычисления следует проводить с помощью подстановки заданных числовых величин в расчетную формулу;

10. проверить единицы полученных величин по расчетной формуле и тем самым подтвердить ее правильность;

11. константы физических величин и другие справочные данные выбирать из таблиц;

12. при вычислениях, по возможности, использовать микрокалькулятор, точность расчета определять числом значащих цифр исходных данных;

13. в контрольной работе следует указывать учебники и учебные пособия, которые использовались при решении задач.

Контрольные работы, оформленные без соблюдения указанных правил, а также работы, выполненные не по своему варианту, не зачитывают. При отсылке работы на повторное рецензирование обязательно представлять работу с первой рецензией.

Во время экзаменационно-лабораторных сессий проводятся лабораторные работы. Цель лабораторного практикума – не только изучить те или иные физические явления, убедиться в правильности теоретических выводов, приобрести соответствующие навыки в обращении с физическими приборами, но и более глубоко овладеть теоретическим материалом.

На экзаменах и зачетах в первую очередь выясняется усвоение основных теоретических положений программы и умение творчески применять полученные знания к решению практических задач. Физическая сущность явлений, законов, процессов должна излагаться четко и достаточно подробно; решать задачи необходимо без ошибок и поясняя. Любая графическая работа должна быть выполнена аккуратно и четко. Только при выполнении этих условий знания по курсу физики могут быть признаны удовлетворительными.

ПОНЯТИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЕ МИРА

Закончить изучение курса общей физики целесообразно рассмотрением физической картины мира, которая позволяет проследить логику развития физики, эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления. Познание мира человеком есть диалектически сложный и противоречивый процесс, творческий по своему характеру. По мере накопления экспериментальных данных постепенно создавалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом.

Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков, позволили И. Ньютону открыть и сформулировать фундаментальные законы механики – науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними. Во времена Ньютона эти законы казались настолько всеобъемлющими, что были положены в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно твердых частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразие окружающего мира, по Ньютону, заключалось в различии движения частиц.

Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока в 1873 г. Дж. Максвеллом не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения механики Ньютона. В отличие от классической механики, где предполагается, что взаимодействие между телами осуществляется мгновенно (теория дальнодействия), теория Максвелла утверждала, что взаимодействие осуществляется с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме, посредством электромагнитного поля (теория близкодействия). Создание специальной теории относительности – нового учения о пространстве и времени – дало возможность полностью обосновать электромагнитную теорию.

В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов, молекул и макроскопических тел. Это положение и легло в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все происходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью законов электродинамики. Однако объяснить строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось.

Первым шагом на пути построения новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 г.: атомы излучают свет дискретными порциями, квантами. А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами. Следующим шагом явилась модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами. Наконец, в 1924 г. Л. де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпускулярно-волнового дуализма. По существу, это была попытка синтезировать две физические картины мира – ньютоновскую (корпускулярную) и максвелловскую (полевую-волновую). Окончательно новая физическая теория, получившая название квантовой, приобрела завершенную форму благодаря трудам Э. Шредингера.

Первоначально квантовая механика создавалась как теория электронных оболочек атомов. Дальнейший прогресс был достигнут благодаря объединению принципа квантования с принципами теории относительности. В результате удалось получить уравнение, наиболее справедливо отражающее свойства электрона, в частности, его специфическую квантовую характеристику, спин. Только с учетом спина и принципа Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в атоме в одинаковых стационарных состояниях, были раскрыты закономерности строения электронных оболочек атомов и объяснен периодический закон Менделеева.

В течение десятилетий физики считали главной задачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела, стали эпохальными для физики XX в. Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда типов частиц явилось продолжением научного штурма общих принципов структурной организации материи.

Итак, нам предстоит обобщить имеющиеся сведения с точки зрения современной физики на структурные формы материи, закономерности их взаимодействия, основываясь на неисчерпаемости материи и возможности ее познания, т. е. проследить за диалектическим развитием материального мира. С точки зрения современной физики обобщать эти сведения следует начать с элементарных частиц, так как на ранней стадии развития Вселенной именно они образовались первыми. На сегодняшний день известно несколько сотен (порядка 400) элементарных частиц, причем стабильными являются лишь фотоны, нейтрино, электроны и их античастицы и в определенной степени протоны. Все остальные частицы не являются стабильными. Многочисленными исследованиями было установлено, что истинно элементарными частицами, не проявляющими внутреннюю структуру, на сегодняшний день можно считать лишь фотоны и лептоны.

Наличие большого числа элементарных частиц наводит на мысль, что не все они являются простейшими. В 1964 г., независимо друг от друга, М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой большинство известных элементарных частиц построены из так называемых фундаментальных – «первичных» частиц – кварков. Опыты по рассеянию нейтрино и электронов сверхвысоких энергий на нуклонах подтвердили кварковую структуру протонов и нейтронов. Но «расщепить» нуклоны на кварки не удалось. К сожалению, кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Рассуждения об элементарных частицах приводят к строению атомов и молекул, поскольку именно из них построен окружающий нас мир и мы сами. Атом обусловливает индивидуальность любого химического элемента. В ядро атома входят протоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов связывают их молекулу. Ядра атомов тяжелых элементов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может идти и в обратном направлении. Из ядер атомов легких элементов могут образовываться ядра атомов более тяжелых элементов. Это происходит при термоядерных реакциях, которые протекают, например, в недрах звезд.

Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти элементарные структурные единицы материи. Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотного состояния подсказывало другую постановку вопроса: что, если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике так называемого «большого взрыва»? Богатое разнообразие элементарных частиц, возникающих в ходе взаимодействий при высоких энергиях, практически не существует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Однако такое разнообразие могло существовать в начале «большого взрыва» и, возможно, при том состоянии Вселенной, которое получило название сингулярность, т. е. состояние сверхплотного сжатия и гигантских температур. Вероятно, от него и ведут начало стабильные элементарные частицы, составляющие строительный материал Вселенной в теперешнем ее состоянии.

Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц по современным данным соответствуют четыре типа физических взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствует свое поле и кванты этого поля, т. е. в каждом конкретном случае идет обмен квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц, как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Предпринимается попытка создать единую теорию трех видов взаимодействий в микромире: слабое, сильное, электромагнитное – «великое объединение». Смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны. Таким образом, свойства микрочастиц и их взаимодействий помогают понять эволюцию Вселенной, начиная с момента ее расширения до наших дней.

С точки зрения современной физики все многообразие видов материи может быть сведено к существованию двух ее основных видов: вещества и поля. Физические поля обладают свойством связывать элементарные частицы в атомы, молекулы, макротела, планеты и т. д. Всякое изменение, происходящее в окружающем нас мире, представляет движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.

Итак, в мире ничего иного не существует, кроме движущейся материи, которая существует вечно. Познание мира – процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества – понятия относительные, и предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Важнейшие этапы истории физики. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Размерность физических величин. Основные единицы СИ.

1. Физические основы механики.

Предмет механики. Кинематика и динамика. Классическая механика. Квантовая механика. Релятивистская механика.

1.1. Элементы кинематики.

Физические модели: материальная точка (частица), система материальных точек, абсолютно твердое тело, сплошная среда. Пространство и время. Кинематическое описание движения. Прямолинейное движение точки. Движение точки по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Скорость и ускорение при криволинейном движении. Нормальное и касательное ускорения. Степени свободы и обобщенные координаты. Число степеней свободы абсолютно твердого тела. Вектор угловой скорости. Кинематическое описание движения жидкости.

1.2. Динамика частиц.

Основная задача динамики. Понятие состояния в классической механике. Уравнения движения. Масса и импульс. Границы применимости классического способа описания движения частиц. Первый закон Ньютона и понятие инерциальной системы отсчета. Второй закон Ньютона, как уравнение движения. Сила, как производная импульса. Третий закон Ньютона и закон сохранения импульса. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.

1.3. Закон сохранения импульса.

Закон сохранения импульса как фундаментальный закон природы. Реактивное движение. Центр инерции. Аддитивность массы. Теорема о движении центра инерции. Система центра инерции.

1.4. Закон сохранения момента импульса.

Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Момент силы. Уравнение моментов. Движение в центральном поле.

1.5. Закон сохранения энергии.

Работа и кинетическая энергия. Мощность. Энергия движения тела как целого. Внутренняя энергия. Консервативные и неконсервативные силы. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике. Общефизический закон сохранения энергии. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.

1.6. Принцип относительности в механике.

Инерциальные системы отсчета и принцип относительности. Преобразование Галлилея. Инварианты преобразования. Абсолютные и относительные скорости и ускорения. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца: сокращение движущихся масштабов длины, замедление движущихся часов, закон сложения скоростей.

1.7. Элементы релятивистской динамики.

Релятивистский импульс. Уравнение движения релятивистской частицы. Работа и энергия. Инвариантность уравнения движения относительно преобразования Лоренца. Инварианты преобразования. Преобразования Импульса и энергии. Законы сохранения энергии и импульса. Столкновение частиц. Система центра инерции. Пороговая энергия.

1.8. Твердое тело в механике.

Уравнения движения и равновесия твердого тела. Понятие статически неопределенных систем. Энергия движущегося тела. Момент инерции тела относительно оси. Вращательный момент.

1.9. Элементы механики сплошных сред.

Общие свойства жидкостей и газов. Уравнения равновесия и движения жидкости. Идеальная и вязкая жидкость. Гидростатика несжимаемой жидкости. Стационарное движение идеальной жидкости. Коэффициент вязкости. Течение по трубе. Формула Пуазейля. Закон подобия. Формула Стокса. Гидродинамическая неустойчивость. Турбулентность. Упругие напряжения. Закон Гука. Растяжение и сжатие стержней.

2. Статистическая физика и термодинамика.

Динамические и статистические закономерности в физике. Статистический и термодинамический методы.

2.1. Макроскопические состояния.

Тепловое движение. Макроскопические параметры. Уравнение состояния. Внутренняя энергия. Интенсивные и экстенсивные параметры. Уравнение состояния идеального газа. Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Молекулярно-кинетический смысл температуры.

2.2. Статистические распределения.

Вероятность и флюктуации. Распределение Максвелла. Распределение частиц по абсолютным значениям скорости. Средняя кинетическая энергия частиц. Скорости теплового движения частиц. Эффузия газа и молекулярные пучки. Распределение Больцмана. Распределение Гиббса. Теплоемкость многоатомных газов. Недостаточность классической теории теплоемкостей. Определение энтропии неравновесной системы через статистический вес состояния. Принцип возрастания энтропии.

2.3. Основы термодинамики.

Обратимые и необратимые тепловые процессы. Первое начало термодинамики. Энтропия. Второе начало термодинамики. Термодинамические потенциалы и условия равновесия. Термодинамические преобразования. Цикл Карно. Максимальный КПД тепловой машины.

2.4. Явления переноса.

Понятие о физической кинетике. Время релаксации. Эффективное сечение рассеяния. Диффузия и теплопроводность. Коэффициент диффузии. Коэффициент теплопроводности. Диффузия в газах и твердых телах. Вязкость. Коэффициент вязкости газов и жидкостей. Динамическая и кинематическая вязкости.

2.5. Элементы физической электроники.

Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации. Электропроводность слабоионизированных газов. Понятие о плазме. Плазменная частота. Дебаевская длина. Электропроводность плазмы.

2.6. Фазовые равновесия и фазовые превращения.

Фазы и фазовые превращения. Условие равновесия фаз. Фазовые диаграммы. Уравнение Клайперона-Клаузиуса. Критическая точка. Метастабильные состояния. Тройная точка. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Фазовые переходы второго рода.

3. Электричество и магнетизм.

Предмет классической электродинамики. Идея близкодействия. Электрический заряд и напряженность электрического поля. Дискретность заряда.

3.1. Электростатика.

Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Электрический диполь. Поток вектора. Электростатическая теорема Гаусса. Работа электростатического поля. Циркуляция электростатического поля. Потенциал. Связь потенциала с напряженностью электростатического поля. Проводник в электростатическом поле. Идеальный проводник. Поверхностная плотность заряда. Граничные условия на границе «проводник – вакуум». Электростатическое поле в полости. Коэффициенты электростатической емкости и электростатической индукции. Емкость конденсаторов различной геометрической конфигурации. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия системы заряженных проводников. Энергия конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.

3.2. Постоянный электрический ток.

Условие существования тока. Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Сторонние силы. ЭДС гальванического элемента. Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Правила Кирхгофа. Электрический ток в сплошной среде.

3.3. Магнитное поле.

Сила Лоренца и сила Ампера. Вектор магнитной индукции. Основные уравнения магнитостатики в вакууме. Магнитное поле простейших систем. Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. Виток с током в магнитном поле. Потенциальная энергия витка с током во внешнем магнитном поле. Рамка с током в однородном магнитном поле. Момент сил, действующий на рамку. Индуктивность длинного соленоида. Коэффициент взаимной индукции. Закон Био-Савара-Лапласса. Принцип суперпозиции. Магнитное поле кругового тока. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Магнитная энергия тока. Плотность магнитной энергии. Энергия и силы.

3.4. Статическое поле в веществе.

Плоский конденсатор с диэлектриком. Энергия диполя во внешнем электростатическом поле. Поляризационные заряды. Поляризованность. Неоднородная поляризованность. Электрическое смещение. Основные уравнения электростатики диэлектриков. Граничные условия на границе раздела «диэлектрик – диэлектрик» и «проводник – диэлектрик». Плотность энергии электростатического поля в диэлектрике. Длинный соленоид с магнетиком. Молекулярные токи. Намагниченность. Неоднородная намагниченность. Напряженность магнитного поля. Основные уравнения магнитостатики в веществе. Граничные условия.

3.5. Уравнения Максвелла.

Фарадеевская и максвелловская трактовка явления электромагнитной индукции. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Векторный и скалярный потенциалы поля. Скорость распространения электромагнитных возмущений. Волновое уравнение. Плотность энергии. Плотность потока энергии.

3.6. Принцип относительности в электродинамике.

Инвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Лоренца. Релятивистское преобразование полей, зарядов и токов. Относительность магнитных и электрических полей.

3.7. Квазистационарное электромагнитное поле.

Условие малости токов смещения. Токи Фуко. Квазистационарные явления в линейных проводниках. Установление и исчезновение тока в цепи. Генератор переменного тока. Импеданс. Цепи переменного тока. Движение проводника в магнитном поле.

4. Физика колебаний и волн.

Понятие о колебательных процессах. Единый подход к колебаниям различной физической природы.

4.1. Кинематика гармонических колебаний.

Амплитуда, круговая частота, фаза гармонических колебаний. Сложение скалярных и векторных колебаний. Комплексная форма представления колебаний. Векторные диаграммы.

4.2. Гармонический осциллятор.

Маятник, груз на пружине, колебательный контур. Свободные затухающие колебания. Коэффициент затухания, логарифмический декремент, добротность. Фазовая плоскость осциллятора. Изохронность. Энергетические соотношения для осциллятора. Понятие о связанных осцилляторах. Действие периодических толчков на гармонический осциллятор. Резонанс. Осциллятор как спектральный прибор. Фурье-разложение. Физический смысл спектрального разложения. Модулированные колебания. Спектр амплитудно-модулированного колебания. Вынужденные колебания осциллятора под действием синусоидальной силы. Амплитуда и фаза при вынужденных колебаниях. Резонансные кривые. Процесс установления колебаний. Время установления и его связь с добротностью. Вынужденные колебания в электрических цепях. Метод комплексных амплитуд. Параметрические колебания осциллятора. Энергетические соотношения. Параметрический резонанс.

4.3. Ангармонические колебания.

Нелинейный осциллятор. Физические системы, содержащие нелинейность. Автоколебания. Обратная связь. Понятие о релаксационных колебаниях.

4.4. Волновые процессы.

Волны. Плоская стационарная волна. Плоская синусоидальная волна. Бегущие и стоячие волны. Фазовая скорость, длина волны, волновое число. Эффект Доплера. Скалярные и векторные волны. Поляризация, Интерференция синусоидальных волн. Распространение волн в средах с дисперсией. Групповая скорость и ее связь с фазовой скоростью. Нормальная и аномальная дисперсии. Одномерное волновое уравнение. Продольные волны в твердом теле. Вектор Умова. Упругие волны в газах и жидкостях. Ударные волны. Плоские электромагнитные волны. Поляризация волн. Вектор Пойнтинга. Излучение диполя. Сферические и цилиндрические волны.

4.5. Интерференция.

Интерференция монохроматических волн. Квазимонохроматические волны. Функция когерентности. Интерференция квазимонохроматических волн. Интерферометры. Временное и спектральное рассмотрение интерференционных явлений.

4.6. Дифракция волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля. Приближение Френеля. Интеграл и дифракция Френеля. Приближение Фраунгофера. Простые задачи дифракции: дифракция на одной и на многих щелях. Дифракционная решетка. Дифракция на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера и спектральное разложение. Принцип голографии.

4.7. Электромагнитные волны в веществе.

Распространение света в веществе. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Поглощение света. Прозрачные среды. Поляризация волн при отражении. Элементы кристаллооптики. Электрооптические и магнитооптические явления.

5. Квантовая физика.

Противоречия классической физики. Проблемы излучения черного тела. Фотоэлектрический эффект, стабильность и размеры атома. Открытие постоянной Планка.

5.1. Экспериментальное обоснование основных идей квантовой теории. Обоснование идей квантования (дискретности): опыты Франка и Герца, опыты Штерна и Герлаха. Правило частот Бора. Линейчатые спектры атомов. Принцип соответствия.

5.2. Фотоны.

Энергия и импульс световых квантов. Фотоэффект. Эффект Комптона. Образование и аннигиляция электронно-позитронных пар. Элементарная квантовая теория излучения. Вынужденное и спонтанное излучение фотонов. Коэффициенты Эйнштейна. Тепловое равновесие излучения.

5.3. Корпускулярно-волновой дуализм.

Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Дифракция нейтронов. Микрочастица в двухщелевом интерферометре. Соотношения неопределенностей. Оценка основного состояния атома водорода и энергии нулевых колебаний осциллятора. Объяснение туннельного эффекта и устойчивости атома. Волновые свойства микрочастиц и соотношения неопределенностей.

5.4. Квантовое состояние.

Задание состояния микрочастиц; волновая функция; ее статистический смысл. Суперпозиция состояний в квантовой теории. Амплитуда вероятностей. Объяснение поведения макрочастицы в интерферометре. Объяснение дифракции нейтронов на кристалле. Вероятность в квантовой теории.

5.5. Уравнение Шредингера.

Временное уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера; стационарное состояние. Частицы в одномерном и трехмерном ящиках. Частица в одномерной прямоугольной яме. Прохождение частицы под барьером. Гармонический осциллятор.

5.6. Атом.

Частица в сферически симметричном поле. Водородоподобные атомы. Энергетические уровни. Потенциалы возбуждения и ионизации. Спектры водородоподобных атомов. Пространственное распределение электрона в атоме водорода. Ширина уровней. Структура электронных уровней в сложных атомах. Типы связи электронов в атомах. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.

5.7. Молекула.

Молекула водорода. Обменное взаимодействие. Физическая природа химической связи. Ионная и ковалентная связи. Электронные термы двухатомной молекулы. Колебания и вращения двухатомной молекулы. Колебательная и вращательная структура термов. Колебания многоатомных молекул. Молекулярные спектры.

5.8. Атомное ядро.

Строение атомных ядер. Феноменологические модели ядра. Ядерные реакции. Механизмы ядерных реакций. Радиоактивные превращения атомных ядер. Реакция ядерного деления. Цепная реакция деления. Ядерный реактор. Проблема источников энергии. Термоядерные реакции. Энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез.

5.9. Элементы квантовой электроники.

Коэффициенты Эйнштейна для индуцированных переходов в двухуровневой системе. Принцип работы квантового генератора. Твердотельные и газоразрядные лазеры. Радиоспектроскопия. Первый мазер. Метод трех уровней. Открытый резонатор. Первые лазеры.

5.10. Элементы квантовой статистики.

Статистическое описание квантовой системы, различие между квантово-механической и статистической вероятностями. Теорема Нернста и ее следствия. Симметрия волновой функции многих одинаковых частиц. Квантовые идеальные газы; распределения Бозе и Ферми.

5.11. Конденсированное состояние.