- •Вопрос 2. Криволинейное движение
- •Вопрос 3. Кинематика вращательного движения
- •Вопрос 4. Законы динамики Ньютона
- •Вопрос 5. Закон сохранения импульса
- •Вопрос 6. Работа, мощность.
- •Вопрос 8. Момент инерции твердого тела
- •Вопрос 9. Работа и кинетическая энергия вращения.
- •Вопрос 7. Энергия
- •Вопрос 12. Механические колебания
- •Вопрос 11. Закон сохранения момента импульса
- •Вопрос 10. Основной закон динамики вращения
- •Вопрос 18. Теплоемкость.
- •Вопрос 17. Первое начало термодинамики.
- •Вопрос 19. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.
- •Вопрос 21. Второе начало термодинамики.
- •Вопрос 20. Адиабатический процесс.
- •Кпд тепловой машины Карно Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно
- •Вопрос 24. Напряженность электрического поля в вакууме.
- •Вопрос 23. Свойства физических зарядов.
- •Вопрос 27. Связь напряженности эл. Поля с потенциалом.
- •Вопрос 28. Проводники в электрическом поле.
- •Вопрос 30. Энергия электростатического поля.
- •Вопрос 31. Постоянный электрический ток.
- •Вопрос 33. Закон Ома для замкнутой цепи.
- •Вопрос 32. Закон Ома для однородного участка цепи.
- •Вопрос 34. Работа и мощность электрического тока.
- •Вопрос 36. Движение заряжен частиц в магнитном поле.
- •Вопрос 35. Магнитное поле в вакууме.
- •Вопрос 39. Поток вектора магнитной индукции сквозь произвольную поверхность.
- •Вопрос 42. Явление самоиндукции.
- •Вопрос 41. Электромагнитная индукция.
- •Вопрос 43. Энергия магнитного поля тока.
- •Вопрос 45. Ферромагнетизм.
- •Вопрос 44. Закон полного тока.
- •Вопрос 46. Интерференция света от двух источников .
- •Вопрос 48. Дифракция света.
- •Вопрос 49. Поляризация света.
- •Вопрос 55. Волновые свойства микрочастиц.
- •Вопрос 59. Современные представления об электропроводности твердых тел.
- •Вопрос 58. Атом водорода в квантовой механике.
- •Вопрос 60. Атомное ядро.
Вопрос 49. Поляризация света.
Свет со всевозможными равновероятными ориентациями векторов Е и Н называется естественным. Свет, в котором направления колебаний светового вектора полностью или частично упорядочены, называется поляризованным.
Степенью поляризации называется величина P = (Imax – Imin) / (Imax + Imin), где Imax и Imin — соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного света Imax = Imin и Р=0, для плоскополяризованного Imin = 0 и Р = 1.
Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления. Пластинка t1, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т2 служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинк одинаковы.
Закон
Малюса — зависимость интенсивности
линейно-поляризованного света после
его прохождения через поляризатор от
угла между плоскостями поляризации
падающего света и поляризатора.
где I0 — интенсивность падающего на поляризатор света, I — интенсивность света, выходящего из поляризатора. Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.
Свет с иной (не линейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса. По закону Малюса рассчитываются интенсивности проходящего света во всех поляризационных приборах, например в поляризационных фотометрах и спектрофотометрах. Потери на отражение, зависящие от и не учитываемые законом Малюса, определяются дополнительно.
Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется углом Брюстера.
Закон
Брюстера:
,
где n21 — показатель преломления второй
среды относительно первой, θBr — угол
падения (угол Брюстера).
Вопрос
51. Законы теплового излучения.
Согласно
закону Стефана — Больцмана,
т.
е. энергетическая светимость черного
тела пропорциональна четвертой степени
его термодинамической температуры;
-
постоянная Стефана — Больцмана: ее
экспериментальное значение равно
Вт/(м2К4).
Распределение
энергии в спектре абсолютно черного
тела является неравномерным. Все кривые
имеют явно выраженный максимум, который
по мере повышения температуры смещается
в сторону более коротких волн.
Согласно
закону смещения Вина
т.
е. длина волны
,
соответствующая максимальному значению
излучательной способности
абсолютно
черного тела, обратно пропорциональна
его термодинамической температуре,
-
постоянная Вина; ее экспериментальное
значение равно
.
Выражение (4.5) потому называют законом
смещения Вина,
что оно показывает смещение положения
максимума функции
по
мере возрастания температуры в область
коротких длин волн. Закон Вина объясняет,
почему при понижении температуры
нагретых тел в их спектре все сильнее
преобладает длинноволновое излучение.
Согласно выдвинутой Планком
квантовой гипотезе,
атомные осцилляторы излучают энергию
не непрерывно, а определенными порциями
—
квантами,
причем энергия кванта пропорциональна
частоте колебания:
где
-
постоянная Планка.
Так как излучение испускается порциями,
то энергия осциллятора ε может принимать
лишь определенные дискретные
значения,
кратные целому числу элементарных
порций энергии
:
В
данном случае среднюю энергию
осциллятора
нельзя принимать равной
.
В приближении, что распределение
осцилляторов по возможным дискретным
состояниям подчиняется распределению
Больцмана, средн энергия осциллятора
,
а
излучательная способность абсолютно
черного тела
Таким
образом, Планк вывел для универсальной
функции Кирхгофа формулу
которая
блестяще согласуется с экспериментальными
данными по распределению энергии в
спектрах излучения черного тела во
всем интервале частот и температур.
Вопрос
50. Тепловое излучение.
Свечение
тел, обусловленное нагреванием,
называется
тепловым
излучением.
Тепловое излучение – это электромагнитное
излучение, возбуждаемое за счет энергии
теплового движения атомов и молекул.
Величина
Р,
равная отношению лучистого потока
Рр,
отраженного телом, к потоку Р, падающему
на поверхность тела, называется
коэффициентом отражения
.
Аналогично определяются коэффициенты
пропускания
и
поглощения
.
Из закона сохранения энергии следует,
что
,
поэтому
.
Измерения показывают, что коэффициенты
поглощения, пропускания и отражения
зависят от длины волны
падающего
излучения и от температуры
тела,
т.е.
Количественной
характеристикой теплового излучения
служит
спектральная плотность энергетической
светимости или
излучательная способность тела, т.е.
мощность излучения с единицы площади
поверхности тела в единичном интервале
длин волн спектра вблизи данной длины
волны
:
.
Единица
спектральной плотности энергетической
светимости
-
джоуль на метр в квадрате
.
Количество
энергии, излучаемой с
поверхности
тела за 1
секунду
по всем длинам волн, называется
интегральной
плотностью
излучения или энергетической светимостью
.
Зная
излучательную способность тела
можно
вычислить
интегральную энергетическую
светимость, просуммировав
ее по всем длинам волн:
Тело,
способное поглощать полностью при
любой температуре все падающее на него
излучение любой частоты, называется
абсолютно
черным.
Закон
Кирхгофа:
отношение излучательной способности
тела к поглощательной способности не
зависит от природы тела, оно является
для всех тел одной и той же универсальной
функцией длины волны и температуры.
где
относятся
к разным телам.
Вопрос
52. Внешний фотоэффект.
Внешним
фотоэффектом
называется испускание электронов
веществом под действием электромагнитного
излучения.
Первые
фундаментальные исследования фотоэффекта
выполнены русским ученым А. Г. Столетовым.
Два электрона (катод
К из
исследуемого металла и анод
А -
в схеме Столетова применялась
металлическая сетка) в вакуумной трубке
подключены к батарее так, что с помощью
потенциометра R
можно изменять не только значение, но
и знак подаваемого на них напряжения.
Ток, возникающий при освещении катода
монохроматическим светом (через
кварцевое окошко), измеряется включенным
в цепь миллиамперметром. Облучая катод
светом различных длин волн, Столетов
установил следующие закономерности:
1) наибольшее эффективное действие
оказывает ультрафиолетовое излучение;
2) под действием света вещество теряет
только отрицательные заряды; 3) сила
тока, возникающего под действием света,
прямо пропорциональна его интенсивности.
Максимальное
значение тока IНАС
- фототок
насыщения
- определяется таким значением
U,
при котором все электроны, испускаемые
катодом, достигают анода:
где
n -
число электронов, испускаемых катодом
в
1с.
Из
вольт-амперной характеристики следует,
что при
U=0 фототок
не исчезает. Следовательно, электроны,
выбитые светом из катода, обладают
некоторой начальной скоростью
V,
а значит, и отличной от нуля кинетической
энергией и могут достигнуть анода без
внешнего поля. Для того чтобы фототок
стал равным нулю, необходимо приложить
задерживающего
напряжение
U3.
При
U=U3 ни
один из электронов, даже обладающий
при вылете из катода максимальной
скоростью
,
не может преодолеть задерживающего
поля и достигнуть анода. Следоват
т.е., измерив задерживающее напряжение
U3,
можно определить максимальные значения
скорости и кинетической энергии
фотоэлектронов.
При
изучении вольт-амперных характеристик
разнообразных материалов (важна чистота
поверхности, поэтому измерения проводятся
в вакууме и на свежих поверхностях) при
различных частотах падающего на катод
излучения и при различных энергетических
освещенностях катода и обобщения
полученных данных были установлены
следующие три
закона фотоэффекта.
1.Закон
Столетова:
при фиксированной частоте падающего
света число фотоэлектронов, вырываемых
из катода в единицу времени, пропорционально
интенсивности света
2.Максимальная
начальная скорость (максимальная
начальная кинетическая энергия)
фотоэлектронов не зависит от интенсивности
падающего света, а определяется только
его частотой ν.
3.Для
каждого вещества существует красная
граница
фотоэффекта, т.е. минимальная частота
ν0
света (зависящая от химической природы
вещества и состояния его поверхности),
ниже которой фотоэффект невозможен.
По
закону сохранения энергии, запишим
уравнение
Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:
Вопрос
54. Корпускулярно – волновой дуализм.
Согласно
гипотезе световых квантов Эйнштейна,
свет испускается, поглощается и
распространяется дискретными
порциями (квантами), названными фотонами.
Энергия фотона
.
Его масса находится из закона взаимосвязи
массы и энергии:
(6.13)Фотон
—
элементарная частица, которая всегда
(в любой среде!) движется со скоростью
света с и имеет массу покоя, равную
нулю. Следовательно, масса фотона
отличается от массы таких элементарных
частиц, как электрон, протон и нейтрон,
которые обладают отличной от нуля
массой покоя и могут находиться в
состоянии покоя.
Импульс
фотона получим, подставив значение
массы из (6.13)
(6.14)
Из
приведенных рассуждений следует, что
фотон, как и любая другая частица,
характеризуется энергией, массой и
импульсом. Выражения (6.13), (6.14) связывают
корпускулярные
характеристики фотона — массу, импульс
и энергию — с волновой
характеристикой света — его частотой
,
или длиной волны
.
Если
фотоны обладают импульсом, то свет,
падающий на тело, должен оказывать на
него давление. Согласно квантовой
теории, давление света на поверхность
обусловлено тем, что каждый фотон при
соударении с поверхностью передает ей
свой импульс.
Давление
света на поверхность равно импульсу,
который передают поверхности в 1с
N
фотонов:
есть
энергия всех фотонов, падающих на
единицу поверхности в единицу времени,
т. e.
энергетическая освещенность поверхности,
-
объемная
плотность энергии излучения. Поэтому
давление, производимое светом при
нормальном падении на поверхность:
(6.15)
Формула (6.15), выведенная на основе квантовых представлений, совпадает с выражением, получаемым из электромагнитной (волновой) теории Максвелла. Таким образом, давление света одинаково успешно объясняется и волновой, и квантовой теорией. Как уже говорилось, экспериментальное доказательство существования светового давления на твердые тела и газы дано в опытах П. Н. Лебедева, сыгравших в свое время большую роль в утверждении теории Максвелла.
Вопрос
53. Эффект Комптона.
Наиболее
полно корпускулярные свойства света
проявляются в эффекте Комптона.
Американский физик А. Комптон (1892—1962),
исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического
рентгеновского излучения веществами
с легкими атомами (парафин, бор),
обнаружил, что в составе рассеянного
излучения наряду с излучением
первоначальной длины волны наблюдается
также более длинноволновое излучение.
Опыты показали, что разность
не
зависит от длины волн
падающего
излучения и природы рассеивающего
вещества, а определяется только углом
рассеяния
θ:
Δλ=λ'-λ=2λСsin2(θ/2)
6.18,
Где
λ'-
длина волны рассеянного излучения,
λС комптоновская
длина волны
(при рассеянии фотона на электроне
λС=2,426
пм).
Эффектом Комптона
называется упругое рассеяние
коротковолнового электромагнитного
излучения на свободных (или слабосвязанных)
электронах вещества, сопровождающееся
увеличением длины волны. Этот эффект
не укладывается в рамки волновой теории,
согласно которой длина волны при
рассеянии изменяться не должна: под
действием периодического поля световой
волны электрон колеблется с частотой
поля и поэтому излучает рассеянные
волны той же частоты.
Объяснение эффекта
Комптона дано на основе квантовых
представлений о природе света. Если
считать, как это делает квантовая
теория, что излучение имеет корпускулярную
природу, т. e. представляет собой поток
фотонов, то эффект Комптона —
результат упругого столкновения
рентгеновских фотонов со свободными
электронами вещества. В процессе
этого столкновения фотон передаст
электрону часть своих энергии и импульса
в соответств с законами их сохранения
это
выражение
есть
не что иное, как полученная экспериментально
Комптоном формула (6.18). Подстановка в
нее значений
и
даст
комптоновскую длину волны электрона
.
Эффект Комптона
не может наблюдаться в видимой области
спектра, поскольку энергия фотона
видимого света сравнима с энергией
связи электрона с атомом, при этом даже
внешний электрон нельзя считать
свободным. Эффект Комптона наблюдается
не только на электронах, но и на других
заряженных частицах, например
протонах, однако из-за большой массы
протона его отдача «прсматривается»
лишь при рассеянии фотонов очень высоких
энергий.
Как эффект Комптона,
так и фотоэффект на основе квантовых
представлений обусловлены взаимодействием
фотонов с электронами. В первом случае
фотон рассеивается, во втором —
поглощается. Рассеяние происходит при
взаимодействии фотона со свободным
электроном, а фотоэффект - со связанными
электронами. Можно показать, что при
столкновении фотона со свободным
электроном не может произойти поглощения
фотона, так как это находится в
противоречии с законами сохранения
импульса и энергии. Поэтому при
взаимодействии фотонов со свободными
электронами может наблюдаться только
их рассеяние, т. е. эффект Комптона.
