- •Введение Физика как наука. Содержание и структура физики
- •I Механика
- •1.1 Кинематика материальной точки
- •1.1.1 Понятие материальной точки. Система отсчета. Траектория, путь, перемещение Единицы измерения
- •1.1.2 Скорость и ускорение произвольно движущейся точки
- •1.1.3 Кинематика прямолинейного движения
- •1.1.4 Движение точки по окружности. Связь между линейными и угловыми кинематическими параметрами
- •1.1.5 Колебательное движение. Виды гармонических колебаний
- •1.1.6 Сложение гармонических колебаний
- •1.2 Динамика материальной точки
- •1.2.1 Законы Ньютона. Масса, сила. Закон сохранения импульса, реактивное движение
- •1.2.2 Силы в механике
- •1.2.3 Работа сил в механике, энергия. Закон сохранения энергии в механике
- •1.3 Динамика вращательного движения твердых тел
- •1.3.1 Момент силы, момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •1.3.2 Кинетическая энергия вращательного движения. Момент инерции
- •II Раздел молекулярная физика и термодинамика
- •2.1 Основные положения молекулярно-кинетической теории газов
- •2.1.1 Агрегатные состояния вещества и их признаки. Методы описания физических свойств вещества
- •2.1.2 Идеальный газ. Давление и температура газа. Шкала температур
- •2.1.3 Законы идеального газа
- •2.2 Распределение Максвелла и Больцмана
- •2.2.1 Скорости газовых молекул
- •2.3. Первое начало термодинамики
- •2.3.1 Работа и энергия в тепловых процессах. Первое начало термодинамики
- •2.3.2 Теплоемкость газа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
- •2.4. Второе начало термодинамики
- •2.4.1. Работа тепловых машин. Цикл Карно
- •2.4.2 Второе начало термодинамики. Энтропия
- •2.5 Реальные газы
- •2.5.1 Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа
- •2.5.2 Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля—Томсона
- •III Электричество и магнетизм
- •3.1 Электростатика
- •3.1.1 Электрические заряды. Закон Кулона
- •3.1.2 Напряженность электрического поля. Поток линий вектора напряженности
- •3.1.3 Теорема Остроградского — Гаусса и его применение для расчета полей
- •3.1.4 Потенциал электростатического поля. Работа и энергия заряда в электрическом поле
- •3.2 Электрическое поле в диэлектриках
- •3.2.1 Электроемкость проводников, конденсаторы
- •3.2.2 Диэлектрики. Свободные и связанные заряды, поляризация
- •3.2.3 Вектор электростатической индукции. Сегнетоэлектрики
- •3.3 Энергия электростатического поля
- •3.3.1 Электрический ток. Законы Ома для постоянного тока
- •3.3.2 Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Работа и мощность постоянного тока
- •3.4 Магнитное поле
- •3.4.1 Магнитное поле. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов
- •3.4.2 Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Закон полного тока.
- •3.4.3 Закон Био—Савара—Лапласа. Магнитное поле прямого тока
- •3.4.4 Сила Лоренца Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях
- •3.4.5 Определение удельного заряда электрона. Ускорители заряженных частиц
- •3.5 Магнитные свойства вещества
- •3.5.1 Магнетики. Магнитные свойства веществ
- •3.5.2 Постоянные магниты
- •3.6 Электромагнитная индукция
- •3.6.1 Явления электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Токи Фуко
- •3.6.2 Ток смещения. Вихревое электрическое поле Уравнения Максвелла
- •3.6.3 Энергия магнитного поля токов
- •IV Оптика и основы ядерной физики
- •4.1. Фотометрия
- •4.1.1 Основные фотометрические понятия. Единицы измерений световых величин
- •4.1.2 Функция видности. Связь между светотехническими и энергетическими величинами
- •4.1.3 Методы измерения световых величин
- •4.2 Интерференция света
- •4.2.1 Способы наблюдения интерференции света
- •4.2.2 Интерференция света в тонких пленках
- •4.2.3 Интерференционные приборы, геометрические измерения
- •4.3 Дифракция света
- •4.3.1 Принцип Гюйгенса—Френеля. Метод зон Френеля. Зонная пластинка
- •4.3.2 Графическое вычисление результирующей амплитуды. Применение метода Френеля к простейшим дифракционным явлениям
- •4.3.3 Дифракция в параллельных лучах
- •4.3.4 Фазовые решетки
- •4.3.5 Дифракция рентгеновских лучей. Экспериментальные методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Определение длины волны рентгеновских лучей
- •4.4 Основы кристаллооптики
- •4.4.1 Описание основных экспериментов. Двойное лучепреломление
- •4.4.2 Поляризация света. Закон Малюса
- •4.4.3 Оптические свойства одноосных кристаллов. Интерференция поляризованных лучей
- •4.5 Виды излучения
- •4.5.1 Основные законы теплового излучения. Абсолютно черное тело. Пирометрия
- •4.5.2 Источники света
- •4.6 Действие света
- •4.6.1 Фотоэлектрический эффект. Законы внешнего фотоэффекта
- •4.6.2 Эффект Комптона
- •4.6.3 Давление света. Опыты Лебедева
- •4.6.4 Фотохимическое действие света. Основные фотохимические законы. Основы фотографии
- •4.7 Развитие квантовых представлений об атоме
- •4.7.1 Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарно-ядерная модель атома
- •4.7.2 Спектр атомов водорода. Постулаты Бора
- •4.7.3 Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля
- •4.7.4 Волновая функция. Соотношение неопределенности Гейзенберга
- •4.8 Физика атомного ядра
- •4.8.1 Строение ядра. Энергия связи атомного ядра. Ядерные силы
- •4.8.2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада
- •4.8.3 Радиоактивные излучения
- •4.8.4 Правила смещения и радиоактивные ряды
- •4.8.5 Экспериментальные методы ядерной физики. Методы регистрации частиц
- •4.8.6 Физика элементарных частиц
- •4.8.7 Космические лучи. Мезоны и гипероны. Классификация элементарных частиц
- •Содержание
4.1.2 Функция видности. Связь между светотехническими и энергетическими величинами
Термином «свет» называют именно узкий интервал, воспринимаемых человеческим глазом, заключенный в шкале электромагнитных волн примерно между 400 и 800 нм. Поэтому следует установить переход от энергетических величин к величинам, характеризующим световое восприятие, и целесообразно ввести специальную систему единиц, приспособленную к свойствам глаза человека.
Глаз человека не одинаково чувствителен к видимым лучам различного цвета. Величина, характеризующая такую “среднюю” относительную чувствительность человеческого глаза к световым волнам разных длин, называется функцией видности. Графически чувствительность глаза к свету различной длины волны можно охарактеризовать кривой видности. Кривая, утвержденная Международной осветительной комиссией, изображена на Рисунке 4.2 (сплошная кривая). Кривая видности имеет максимум при λ= 555 нм, условно принимаемый за единицу. Анализ графика видности показывает, что, например, для λ = 760 нм требуется мощность, примерно в 20 000 раз большая, чем для λ = 550 нм, чтобы вызвать одинаковое по силе зрительное ощущение.
Наряду с указанными фотометрическими единицами — силой света, освещенностью, светимостью и яркостью— можно рассматривать аналогичные им энергетические величины, получаемые с помощью тех же соотношений с заменой лишь светового потока через энергетический поток Е. В таблице - 4.1 дан список основных
Таблица 4.1 Световые и энергетические единицы
Величины |
Обозначения |
Единица световая |
Символ |
Единица энергетическая |
Световой поток |
Ф |
люмен |
лм |
ватт |
Сила света |
I |
кандела |
кд |
ватт/стерадиан |
Яркость |
В |
кандела/м2 |
кд/м2 |
ватт/(стерадиан•м2) |
Светимость |
S |
люмен/м2 |
лм/м2 |
ватт/м2 |
Освещенность |
Е |
люкс |
лк |
ватт/м2 |
фотометрических и энергетических величин и приведены единицы их измерения. Совокупность фотометрических (светотехнических) и энергетические понятий, установленных в качестве единиц для соответствующих измерений, даст возможность охарактеризовать действие света на глаза, приборы и установки.
Воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат, состоит, прежде всего, в передаче этому регистрирующему аппарату энергии, переносимой световой волной. Поэтому, в фотометрии, измерение сводится к уточнению энергии, приносимой световой волной, или к измерению величин, так или иначе связанных с этой энергетической характеристикой.
Поток лучистой энергии (Ф). Расположим на пути лучистой энергии, идущей от источника L (Рисунок 4.3), какую-нибудь малую площадку σ и измерим количество энергии Q, протекающее через эту площадку за время t и измерим поглощенную энергию, например, по изменению температуры.
Рисунок 4.2 |
Рисунок 4.3 |
Отношение показывающее количество лучистой энергии, протекающей через площадку σ за единицу времени, т. е. мощность сквозь поверхность σ, называется потоком лучистой энергии через поверхность σ.
Q/t =dФ |
(4.10). |
Проведя из точки L совокупность лучей, опирающихся на контур площадки σ, мы получим конус, ограничивающий часть потока, протекающую через σ. Сечение конуса сферической поверхностью с центром в L и с радиусом, равным единице, дает меру телесного угла конуса dΩ. Если нормаль n к поверхности σ составляет угол i с осью конуса, а расстояние от L до площадки есть R, то
dΩ = σcosi/R2 |
(4.11). |
Таким образом, выделенная часть потока приходится на телесный угол dΩ. Полный поток, идущий от L по всем направлениям, будет
Ф = ∫dФ |
(4.12). |
Сила света. Величину потока, приходящегося на единицу телесного угла, называют силой света (I). Если поток Ф посылается равномерно по всем направлениям, то есть сила света, одинаковая для любого направления.
I = Ф/4π |
(4.13). |
Для определения истинной силы света по какому-либо направлению надо выделить вдоль него достаточно малый элементарный телесный угол dΩ и измерить световой поток dФ, приходящийся на этот телесный угол. Сила света по данному направлению определится соотношением
I = dФ/ Dω |
(4.14).. |
Освещенность. Освещенностью Е называется величина потока, приходящегося на единицу поверхности. Освещенность площадки σ (рисунок 4.3) есть
Е = dФ/σ = I cos i/R2 |
(4.15) |
Освещенность, создаваемая точечным источником, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до поверхности и прямо пропорциональна косинусу угла, составляемого направлением светового потока с нормалью к освещаемой поверхности. Это есть основной закон освещенности, создаваемой точечным источником (закон обратных квадратов).
Яркость. Для многих светотехнических расчетов не всегда можно считать источники света точечными: многие из них настолько велики, что мы можем при обычных наблюдениях глазом различить их форму, размеры и т.д. По отношению к таким источникам имеет смысл определение понятия поверхностной яркости. Поверхностная яркость В есть величина, характеризующая излучение светящейся поверхности по данному направлению, определяемому углом i с нормалью к светящейся поверхности и из данной области поверхности. Поток dФ, посылаемый ею в телесный угол dΩ, равен (рисунок 4.3):
dФ = Biσ cos i dΩ |
(4.16) |
или
Bi = dФ /σ cos i dΩ |
(4.17). |
Коэффициент Bi носит название яркости источника по направлению, определяемому углом i: яркостью в данном направлении называется поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности внутрь единичного телесного угла.
Яркость Bi есть величина, зависящая от направления; однако для некоторых источников она может от направления не зависеть. Такие источники называются источниками, подчиняющимися закону Ламберта. Такими источниками являются, например, абсолютно черное тело; матированная поверхность или мутная среда, каждый участок которой рассеивает свет равномерно во все стороны.
Светимость. С понятием яркости тесно связано понятие светимости S, представляющей собой интегральную величину, т. е. суммарный поток, посылаемый единицей поверхности наружу по всем направлениям (внутрь телесного угла 2π). Таким образом,
S= Ф/σ |
(4.18), |
если Ф есть полный поток, через площадку σ по всем направлениям.
Светимость и яркость связаны между собой простым соотношением: S = πB. Соотношение Ф = σS показывает, что светимость S имеет ту же размерность, что и освещенность Е, и представляет собой поток, отнесенный к единице поверхности. Светимость характеризует свечение поверхности, т. е. поток, отходящий от единицы поверхности; освещенность же характеризует освещение поверхности, т. е. поток, приходящий на единицу поверхности.
Интенсивность светового потока. Для характеристики светового поля можно ввести еще понятие интенсивности светового потока R. Под интенсивностью понимают величину светового потока, протекающего через единицу видимого сечения по направлению, определяемому углом i между направлением потока и нормалью к этому сечению:
R = dФ/ σ cos i dΩ |
(4.19). |
Интенсивность светового потока играет для характеристики светового поля ту же роль, что и яркость для характеристики светящейся поверхности. Поэтому ее нередко называют также яркостью светового потока.
Таким образом, большое количество понятий, связанных с переносимой светом энергией, обусловлено, в конечном итоге, законом прямолинейного распространения света, в силу которого световая энергия может переноситься по-разному в различных направлениях и через элементы поверхности, находящиеся в разных точках. Наиболее дифференцированной характеристикой светового поля служит яркость (или интенсивность), определяющая мощность, распространяющуюся в заданном направлении вблизи заданной точки пространства. Сила света описывает мощность, также распространяющуюся в заданном направлении, но от всей поверхности протяженного источника. Освещенность и светимость характеризуют мощность, которая распространяется вблизи какой-либо определенной точки пространства во всех направлениях. Наиболее интегральной характеристикой является поток, — мощность, переносимая во всех направлениях через всю поверхность.
Единицы измерения введенных фотометрических величин зависят, естественно, от выбора системы единиц. В системе СИ поток измеряется в ваттах, освещенность и светимость — в Вт/м2, сила света — в Вт/ср, яркость и интенсивность — в Вт/(м2•ср).