Механические колебания

Физика колебаний и волн. Квантовая физика

Конспект лекций для 3 семестра изучения курса «Физика»

Омск 2007

УДК 530+534.1+535(075)

ББК 22.314+22.343+22.336я73

Д 18

Рецензенты:

Машков Ю.К., докт. техн. наук, проф., зав. каф. физики СибАДИ,

Полещенко К.Н., докт. техн. наук, проф. каф. педагогических информационных технологий и дополнительного образования ОмГУ.

Д 18 Данилов, С.В., Егорова, В.А., Кропотин, О.В. Физика колебаний и волн. Квантовая физика: учеб. пособие. 2 –е изд. перераб./ Сост. С.В. Данилов, В.А. Егорова, О.В. Кропотин. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 64 с.

Приведены программа и контрольные задания. Изложение материала соответствует курсу общей физики, изучаемому в вузе.

Для студентов заочной и очно-заочной форм обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета.

УДК 530+534.1+535(075)

ББК 22.314+22.343+22.336я73

© Авторы, 2007

© Омский государственный

технический университет, 2007

ПРОГРАММА

1. Колебания

Понятие о колебательных процессах. Единый подход к колебаниям различной физической природы. Гармонические колебания (механические и электромагнитные) и их характеристики. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Пружинный, математический и физический маятники. Электрический колебательный контур. Энергия гармонических колебаний. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний и его решение. Коэффициент затухания, логарифмический декремент, добротность. Апериодический процесс. Вынужденные колебания под действием синусоидальной силы. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Процесс установления колебаний. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Случай резонанса.

2. Волны

Волновые процессы. Механические волны в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Плоские синусоидальные (гармонические) волны. Сферические волны. Уравнение бегущей волны. Длина волны и волновое число. Волновое уравнение. Фазовая скорость. Энергия волны. Принцип суперпозиции волн. Групповая скорость. Вектор Умова. Стоячие волны.

Уравнение плоской электромагнитной волны. Основные свойства электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга.

3. Волновая оптика

Световая волна. Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Оптическая длина пути. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Интерференция в тонких пленках. Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на одной щели и на дифракционной решетке. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризаторы. Закон Малюса. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера. Поляризация при двойном лучепреломлении.

4. Квантовая природа излучения

Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана – Больцмана. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Закон смещения Вина. Квантовая гипотеза и формула Планка. Внешний фотоэффект и его законы. Фотоны. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Масса и импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона и его теория.

5. Элементы атомной физики и квантовой механики

Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Формула де Бройля. Соотношение неопределенностей как проявление корпускулярно-волнового дуализма свойств материи. Волновая функция и ее статистический смысл. Временное уравнение Шредингера. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Квантование энергии частицы. Туннельный эффект.

6. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц

Строение атомных ядер. Нуклоны. Массовое и зарядовое числа. Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил. Дефект массы и энергия связи ядра. Радиоактивные превращения атомных ядер. Закономерности и происхождение альфа-, бета- и гамма- излучения атомных ядер. Ядерные реакции и законы сохранения. Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Ядерный реактор. Термоядерные реакции. Элементарные частицы, их классификация и взаимная превращаемость.

ТЕМА № 1

ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН

Колебаниями называются процессы, характеризующиеся той или иной степенью повторяемости. Таким свойством повторяемости обладают, например, качания маятника, колебания струны, напряжение между обкладками конденсатора в колебательном контуре и т. д.

В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания механические, электромагнитные, электромеханические и т. д.

В зависимости от характера воздействия, оказываемого на колеблющуюся систему, различают свободные (собственные или затухающие), вынужденные, параметрические и автоколебания.

Свободными колебаниями называются колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе, после выведения ее каким-либо способом из положения равновесия.

Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается внешнему периодически изменяющемуся воздействию.

Автоколебаниями называются такие колебания, при которых моменты времени, когда осуществляются внешние воздействия, задаются самой колеблющейся системой, т. е. система сама управляет внешним воздействием.

Параметрическими называются колебания, при которых за счет внешнего воздействия происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы.

Простейшими являются гармонические колебания, то есть такие, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Этот вид колебаний особенно важен, так как, во-первых, колебания в природе и в технике часто имеют характер, очень близкий к гармоническому, и, во-вторых, периодические процессы иной формы могут быть представлены как наложение нескольких гармонических колебаний.

Механические колебания.

1. Собственные колебания.

Собственными называются свободные колебания, возникающие в колебательной системе в отсутствие сил сопротивления (трения).

Колебания в подобной системе описываются уравнением вида

, (1)

а сама система называется гармоническим осциллятором.

Примерами гармонических осцилляторов могут служить пружинный, математический и физический маятники (Рис. 1).

Рис. 1

Пружинный маятник – тело массой m, прикрепленное к пружине с жесткостью k.

Математический маятник – материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити длиной l.

Физический маятник – тело, совершающее колебания относительно оси О, находящейся на расстоянии l от его центра инерции С.

Для математического и физического маятников роль величины x в уравнении (1) играет угол отклонения j от положения равновесия. При этом гармоническими являются только малые колебания маятников.