2012_MU_k_PZ_Chast_2

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ З КУРСУ ФІЗИКИ

ЧАСТИНА 2

Харків 2011

Методичні вказівки до практичних занять з фізики (частина 2) для студентів усіх спеціальностей і форм навчання/ Упоряд.: Стороженко В.О., Коваленко О.М., Марченко С.Ф., Кібець І.М., Орел Р.П., Малик С.Б. – Харків:

ХНУРЕ, 2011. – 134 с.

Упорядники: В.О. Стороженко, О.М. Коваленко, С.Ф. Марченко, І.М. Кібець, Р.П. Орел, С.Б. Малик

2

	ЗМІСТ
Загальні положення................................................................................................		4
1	Магнітне поле постійного струму ............................................................	4
2	Електромагнітна індукція. Система рівнянь Максвелла.......................	19
3	Електромагнітні коливання і хвилі ........................................................	31
4	Хвильова оптика......................................................................................	44
5	Рівноважне теплове випромінювання ....................................................	61
6	Квантові властивості випромінювання ..................................................	69
7	Теорія Бора атома водню. Постулати Бора............................................	78
8	Хвилі де Бройля. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга .......	84
9	Хвильова функція. Рівняння Шредінгера ..............................................	93
10 Атом водню з точки зору квантової механіки. Принцип Паулі.
електронні шари складних атомів .....................................................................		105
11 Рентгенівське випромінювання. Магнітні властивості атомів .........		113
12 Будова атомних ядер. Ядерні реакції. Радіоактивність.....................		124
Рекомендована література .................................................................................		136

3

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Вміння розв’язувати задачі – один з основних критеріїв засвоєння курсу фізики. Вміння розв’язувати задачі свідчить про здібність студента аналізувати фізичні процеси та явища, про розуміння основних фізичних ідей, вміння знаходити зв’язок між окремими явищами.

Мета запропонованих методичних вказівок – допомогти студентам при підготовці до практичних занять з фізики.

Дані методичні вказівки є заключною другою частиною методичних вказівок до практичних занять з курсу загальної фізики і включає 12 тем, що відповідають робочій програмі курсу фізики.

Методичний матеріал до кожного практичного заняття включає стислі теоретичні відомості з теми заняття (основні закони та формули). Для кожної теми наведені контрольні запитання та завдання, які можна використовувати для самоперевірки та експрес-контрольних на заняттях.

Методичні вказівки містять типові задачі з кожної теми та приклади їх розв’язування, а також задачі, які рекомендовані для самостійної роботи студентів.

1 МАГНІТНЕ ПОЛЕ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

1.1 Мета заняття

Користуючись основними законами магнетизму, навчитися розв’язувати задачі з розрахунку кількісних характеристик магнітного поля, дії магнітного поля на струми та заряджені частинки.

1.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

При підготовці до заняття необхідно вивчити теоретичний матеріал, що наведений у конспекті лекцій та підручнику [1, розд.5; 3, §39 – 50, 72-76; 5, розд. 5.1]. Звернути увагу на смисл та межі застосування основних законів і формул цього розділу.

1.3 Основні закони і формули

1. Закон Біо-Савара-Лапласа
		I dl , r
dB	0			,
		r3
	4
де dB – магнітна індукція поля, яке створюється елементом провідника
довжиною dl зі струмом; 0 – магнітна стала;			– магнітна проникність (у
вакуумі =1); dl – вектор, який дорівнює по модулю					dl провідника і який
збігається за напрямком зі струмом;	r –	радіус-вектор,			який проведений від

4

середини елемента провідника до точки, у якій визначається магнітна індукція; I – сила струму.

Модуль вектора dB

dB 0 Idl sin , 4 r2

де – кут між векторами dl і r .

2. Зв’язок магнітної індукції B з напруженістю H магнітного поля

B 0 H .

У вакуумі ( =1)

B0H .

3.Магнітна індукція в центрі колового провідника зі струмом

B 0 I , 2R

де R – радіус колового витка.

4. Магнітна індукція в будь-якій точці на осі колового струму

B		IR2
	0		,
	2 R2 h2 3 2

де h – відстань від центра витка до точки, в якій визначається магнітна індукція.

5. Магнітна індукція поля, що створюється нескінченно довгим прямим провідником зі струмом

B 0 I , 2 R

де R – відстань від осі провідника.

6. Магнітна індукція поля, що створюється відрізком провідника

B 0 I cos 1 cos 2 , 4 r0

де позначення I , r0 , 1 , 2 зрозумілі з рис. 1.1 (вектор B напрямлений перпендикулярно площині рисунку).

5

Рисунок 1.1 При симетричному розташуванні кінців провідника відносно точки, у якій

визначається магнітна індукція (рис. 1.1, б)

cos 2 cos 1 cos .

Отже,

B 0 I cos , 2 r0

7. Магнітна індукція поля всередині соленоїда

B 0 NI 0 nI , l

де N – кількість витків соленоїда; l – довжина соленоїда; I – сила струму в одному витку, n – щільність намотки, тобто кількість витків, що приходяться на одиницю довжини соленоїда.

8. Принцип суперпозиції магнітних полів

n

B Bi ,

i 1

де B – вектор магнітної індукції поля, яке породжується декількома рухомими зарядами (струмами); Bi – вектор магнітної індукції поля, яке

породжується окремим рухомим зарядом (струмом). У випадку накладання двох полів

B B1 B2 ,

а модуль вектора магнітної індукції

B B12 B22 2B1B2 cos ,

де – кут між векторами.

9. Закон Ампера. Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі

F I l , B ,

де I – сила струму, l – вектор, який за модулем дорівнює довжині l

провідника і за напрямком збігається з напрямком струму; B – магнітна індукція поля.

Модуль вектора сили F

F IBl sin ,

де – кут між векторами l і B .

Сила, що діє на елемент провідника dl зі струмом I в магнітному полі dF I dl , B ,

або за модулем

dF IBdl sin ,

де – кут між dl і B .

6

10. Сила взаємодії двох прямих паралельних провідників зі стумами I1 та

I2 :

F 0 I1I2 l , 2 d

де l – довжина провідників, d – відстань між ними. 11. Магнітний момент плоского контуру зі струмом

pm ISn ,

де I – сила струму в плоскому контурі, S – площа контуру, n – одиничний вектор позитивної нормалі до контуру.

12. Механічний момент, який діє на рамку зі струмом з боку магнітного

поля:

M pm , B ,

M pmBsin ,

де – кут між векторами pm і B .

13. Сила Лоренца

F q , B ,

або за модулем

F q Bsin ,

де – швидкість зарядженої частинки, q – заряд частинки, – кут між

векторами і B .

Якщо частинка знаходиться одночасно в електричному і магнітному полях, то сила, що діє на частинку, має вигляд

F qE q , B ,

де E – напруженість електричного поля.

14. Теорема про циркуляцію	вектора	B		(закон повного		струму для
магнітного поля у вакуумі)
Bdl 0		n
			I	i	,
L		i 1
де n – число провідників зі струмом, які охоплені контуром						L довільної
форми.
15. Потік вектора магнітної індукції (магнітний потік) крізь площину dS
dФB BdS BdS cos BndS ,
де Bn Bcos – проекція вектора B на напрямок нормалі до площини
dS ( – кут між векторами n і B ),	dS ndS – вектор, модуль якого дорівнює

dS , а напрямок збігається з напрямком нормалі n до площини. Магнітний потік крізь довільну поверхню

7

ФB BdS BndS .

SS

16.Повний потік (потокозчеплення)

NФ ,

де N – кількість витків соленоїда або тороїда з рівномірним намотуванням, які щільно прилягають один до одного.

17. Робота з переміщення провідника зі струмом у магнітному полі dA IdФ .

18. Робота з переміщення контуру зі струмом dA I(dФ2 dФ1 ) ,

де dФ1 – потік, який пронизує контур у початковому положенні, dФ2 – у кінцевому.

1.4Контрольні запитання та завдання

1.Що називають магнітним полем? Яка його природа та кількісні характеристики?

2.Яку величину називають вектором магнітної індукції? Як визначити її напрямок?

3.Як пов’язані магнітна індукція B та напруженість H магнітного поля?

4.Сформулюйте закон Біо-Савара-Лапласа.

5.Сформулюйте принцип суперпозиції магнітних полів.

6.Чому дорівнює магнітна індукція у центрі колового провідника зі струмом?

7.Чому дорівнює магнітна індукція поля, що створюється нескінченно довгим прямим провідником зі струмом? Відрізком провідника?

8.Опишіть дію магнітного поля на прямолінійний провідник зі струмом. Сформулюйте закон Ампера. Як визначити напрямок сили Ампера?

9.Чому дорівнює магнітний момент контуру зі струмом?

10.Чому дорівнює механічний момент рамки зі струмом у магнітному

полі?

11.Розрахуйте силу взаємодії двох провідників зі струмами.

12.Що називають магнітним потоком? В яких одиницях його вимірюють?

13.Чому дорівнює робота з переміщення провідника зі струмом у магнітному полі?

14.Сформулюйте закон повного струму.

15.Чому дорівнює сила, що діє на рухомий заряд в магнітному полі? В електричному і магнітному полях одночасно?

16.Як визначити напрямок сили Лоренца?

17.Розрахуйте магнітне поле всередині соленоїда.

1.5 Приклади розв’язання задач

8

Задача 1. По двох довгих паралельних нескінчених провідниках у протилежних напрямках проходять струми 90 і 70 А. Визначити напруженість магнітного поля, яке створюється струмами в точці М, що лежить на відстані 12 см від першого і 14 см від другого провідників, якщо відстань між ними 10 см.

Дані: I1 = 90 A; I2 = 70 A;

R1 = 12 см; R2 = 14 см; d = 10 см;

H – ?

Аналіз і розв’язання

Припустимо, що провідники спрямовані перпендикулярно до площини

	рисунка 1.2. Струм I1 йде від нас, а I2			до нас. Кожний струм створює в точці М
	напруженість магнітного поля H1		I1		; H2		I2	. Напрям векторів	H1 і H2
			2 R1				2 R2

визначається за правилом свердлика і вказаний на рис. 1.2. Згідно принципу суперпозиції величина напруженості поля H в точці М дорівнює геометричній

сумі напруженостей H1і H2			(за теоремою косинусів)
		H		H 2		H 2	2H H	2	cos .					(1.1)
			1			2	1
Обчислення
H1		90			120 (А/м); H2					70			80	(А/м).
										2		0,14
		2 0,12

Рисунок 1.2

З (1.1) визначимо cos (оскільки , то cos cos )

9

	2	2	d	2		144 196 100		10 4
cos	R1	R2							0,71
		2R R				2 12 14 10 4
		1	2

Отже

H 14400 6400 2 120 80 0,71 84 А/м.

Задача 2. Круглу рамку зі струмом площею 1 см2 закріплено паралельно магнітному полю і на неї діє обертальний момент M 10 5 Н·м при індукції 0,05 Тл. Рамку звільнили, після повороту на 90 її кутова швидкість дорівнює 20 с-1. Визначити струм I , що проходить по рамці і момент інерції рамки відносно діаметра.

Дані: S =1см2; M 10 5 Н·м;

B 0,05 Тл; 20 c-1; I – ? J – ?

Аналіз і розв’язання

Коли площина рамки розміщена паралельно полю, на неї діє максимальний обертальний момент M pmB BIS , де B – індукція поля; I –

сила струму; S – площа рамки; pm IS – магнітний момент. Звідси

I

M

.

BS

При повороті рамки виконується робота

A I Ф ,

де

Ф BS – зміна магнітного потоку,

який пронизує площину рамки.

Отже, A IBS . Ця робота дорівнює зміні кінетичної енергії рамки:

IBS

J 2

J 2

J 2

0

,

2

2

2

0 0 –

де

J – момент інерції рамки; – кінцева кутова швидкість;

початкова кутова швидкість. Звідси

J

2IBS

,

2

оскільки M BIS , то J 2M .

2

Обчислення

10