МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

А.Н. Тюшев Л.Д. Дикусар

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ

Часть 3

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов технических специальностей и направлений

Новосибирск

СГГА

2011

УДК 530

Т989

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор, НГТУ Л.А. Борыняк

доктор физико-математических наук, профессор, НГУЭиУ Т.Я. Дубнищева

кандидат технических наук, доцент, СГГА Ю.Ц. Батомункуев

Тюшев, А.Н.

Т989 Курс лекций по физике. Ч. 3. Колебания и волны. Волновая оптика [Текст]: учеб. пособие / А.Н. Тюшев, Л.Д. Дикусар. 2-е изд., испр. и доп. – Новосибирск: СГГА, 2011. – 194 с.

ISBN 978-5-87693-436-9 (ч. 3)

ISBN 978-5-87693-427-7

Настоящее учебное пособие представляет собой третью часть «Курса лекций по физике», состоящего из пяти частей. Содержание учебного пособия соответствует действующим в настоящее время стандартам по дисциплине «Физика» и учебным программам, по которым обучаются студенты Сибирской государственной геодезической академии. Во втором издании учебного пособия «Курс лекций по физике» исправлены замеченные опечатки и добавлены тесты для самоконтроля знаний студентов.

Пособие может быть использовано при изучении курса физики студентами СГГА всех специальностей всех форм обучения.

Ответственный редактор: доцент СГГА И.Г. Баранник

Печатается по решению редакционно-издательского совета СГГА

	УДК 530
ISBN 978-5-87693-436-9 (ч. 3)	© ГОУ ВПО «Сибирская государственная
ISBN 978-5-87693-427-7	геодезическая академия» (СГГА)

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к первому изданию.......................................................................	6
Предисловие ко второму изданию.....................................................................	8
Список литературы, использованной при написании 3-й части «Курса
лекций по физике» ......................................................................................	9
Физика колебаний..............................................................................................	10
Лекция № 1.........................................................................................................	10
§ 1. Понятие о колебательных процессах .......................................................	10
§ 2. Упругие и квазиупругие силы...................................................................	12
§ 3. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний....................	12
§ 4. Гармонический осциллятор. Энергия колебаний гармонического
осциллятора ...............................................................................................	14
Итоги лекции № 1..............................................................................................	15
Лекция № 2.........................................................................................................	17
§ 1. Векторная диаграмма колебания ..............................................................	17
§ 2. Сложение колебаний одинаковой частоты и одинакового направления
.....................................................................................................................	18
§ 3. Сложение колебаний одного направления и близких частот.................	19
§ 4. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний.................................	20
Итоги лекции № 2..............................................................................................	23
ЛЕКЦИЯ № 3 .....................................................................................................	24
§ 1. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний.........................	24
§ 2. Период затухающих колебаний ................................................................	26
§ 3. Логарифмический декремент затухания..................................................	27
§ 4. Добротность................................................................................................	28
Итоги лекции № 3..............................................................................................	28
Лекция № 4.........................................................................................................	30
§ 1. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний .....................	30
§ 2. Уравнение установившихся колебаний. (Частное решение
неоднородного уравнения) .......................................................................	32
§ 3. Резонанс.......................................................................................................	33
Итоги лекции № 4..............................................................................................	34
Волны..................................................................................................................	36
Лекция № 5.........................................................................................................	36
§ 1. Упругая волна .............................................................................................	36
§ 2. Основные определения для волнового процесса....................................	37
§ 3. Уравнение плоской волны.........................................................................	38
§ 4. Фазовая скорость........................................................................................	39
§ 5. Уравнение сферической волны.................................................................	40
§ 6. Волновое уравнение...................................................................................	40
Итоги лекции № 5..............................................................................................	41
Лекция № 6.........................................................................................................	43
§ 1. Энергия упругой волны .............................................................................	43
§ 2. Плотность энергии упругой волны...........................................................	44

§ 3. Плотность потока энергии.........................................................................	44
§ 4. Вектор Умова. Интенсивность..................................................................	45
§ 5. Стоячие волны ............................................................................................	46
§ 6. Колебания струны, закрепленной с двух концов ....................................	47
Итоги лекции № 6..............................................................................................	48
Лекция № 7.........................................................................................................	50
§ 1. Понятие об электромагнитной волне.......................................................	50
§ 2. Плоская электромагнитная волна.............................................................	51
§ 3. Энергия и интенсивность электромагнитной волны..............................	53
§ 4. Излучение диполя ......................................................................................	54
§ 5. Вибратор Герца...........................................................................................	56
Итоги лекции № 7..............................................................................................	57
Волновая оптика................................................................................................	59
Лекция № 8.........................................................................................................	59
§ 1. Световые волны..........................................................................................	59
§ 2. Интенсивность света. Световой поток.....................................................	61
§ 3. Основные законы геометрической оптики ..............................................	62
§ 4. Полное внутреннее отражение .................................................................	63
Итоги лекции № 8..............................................................................................	64
Лекция № 9.........................................................................................................	66
§ 1. Собирающие и рассеивающие линзы.......................................................	66
§ 2. Фокусы линзы, фокальная плоскость.......................................................	67
§ 3. Фокусное расстояние тонкой линзы.........................................................	68
§ 4. Построение изображения в линзах...........................................................	69
§ 5. Формула тонкой линзы ..............................................................................	72
Итоги лекции № 9..............................................................................................	73
Лекция № 10.......................................................................................................	75
§ 1. Интерференция от двух монохроматических источников одинаковой
частоты .......................................................................................................	75
§ 2. Когерентность.............................................................................................	76
§ 3. Условия максимума и минимума на разность фаз δ ...............................	77
§ 4. Оптическая разность хода .........................................................................	77
§ 5. Расчет интерференционной картины от двух источников .....................	78
§ 6. Способы получения когерентных источников........................................	79
Итоги лекции № 10............................................................................................	82
Лекция № 11.......................................................................................................	84
§ 1. Интерференция при отражении от прозрачных пластинок ...................	84
§ 2. Кольца Ньютона .........................................................................................	86
§ 3. Просветленная оптика ...............................................................................	86
§ 4. Интерферометры ........................................................................................	88
Итоги лекции № 11............................................................................................	89
Лекция № 12.......................................................................................................	91
§ 1. Явление дифракции волн...........................................................................	91
§ 2. Принцип Гюйгенса – Френеля..................................................................	91
§ 3. Зоны Френеля .............................................................................................	92

§ 4. Дифракция Френеля на круглом отверстии.............................................	94
§ 5. Дифракция Фраунгофера на щели............................................................	95
Итоги лекции № 12............................................................................................	98
Лекция № 13.......................................................................................................	99
§ 1. Дифракция на дифракционной решетке ..................................................	99
§ 2. Дифракционная решетка как спектральный прибор ............................	102
§ 3. Дисперсия дифракционной решетки......................................................	103
§ 4. Разрешающая сила дифракционной решетки .......................................	105
§ 5. Разрешающая сила объектива.................................................................	107
Итоги лекции № 13..........................................................................................	109
Лекция № 14.....................................................................................................	111
§ 1. Естественный и поляризованный свет...................................................	111
§ 2. Принцип действия поляризатора электромагнитной волны................	112
§ 3. Закон Малюса ...........................................................................................	114
§ 4. Поляризация при отражении и преломлении. Формулы Френеля......	115
§ 5. Закон Брюстера.........................................................................................	116
Итоги лекции № 14..........................................................................................	118
Лекция № 15.....................................................................................................	119
§ 1. Свойства двойного лучепреломления....................................................	119
§ 2. Двойное лучепреломление......................................................................	120
§ 3. Интерференция поляризованных лучей.................................................	123
§ 4. Искусственное двойное лучепреломление............................................	125
Итоги лекции № 15..........................................................................................	127
Лекция № 16.....................................................................................................	128
§ 1. Дисперсия света........................................................................................	128
§ 2. Поглощение света. Закон Бугера.............................................................	129
§ 3. Рассеяние света.........................................................................................	131
Итоги лекции № 16..........................................................................................	134
Лекция № 17.....................................................................................................	135
§ 1. Связь показателя преломления с дипольным моментом молекулы....	135
§ 2. Связь электрического дипольного момента молекулы с
напряженностью поля световой волны.................................................	136
§ 3. Уравнение движения электрона в атоме под действием световой волны
и его решение...........................................................................................	137
§ 4. Зависимость показателя преломления от частоты................................	137
§ 5. Групповая и фазовая скорость.................................................................	140
Итоги лекции № 17..........................................................................................	142
Тест №6.............................................................................................................	144
Ответы на вопросы теста № 6........................................................................	146
Тест № 7............................................................................................................	150
Ответы на вопросы теста № 7........................................................................	153
Тест № 8............................................................................................................	156
Ответы на вопросы теста № 8........................................................................	158

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Настоящее учебное пособие написано на основе учебного пособия Тюшева А.Н. «Физика в конспективном изложении» (ФКИ), две первые части которого изданы в СГГА в 1999 г., третья – в 2000 г. Второе издание ФКИ вышло в 2002 г. Главное существенное отличие настоящего «Курса лекций» от ФКИ состоит в том, что изложение материала ведется не в конспективном стиле, а с подробными словесными пояснениями. При этом рамки изложения расширены.

Материал пособия разбит на лекции, в первой части их тринадцать. После каждой лекции кратко подведены ее основные итоги.

Настоящий «Курс лекций по физике» написан в соответствии с действующими в настоящее время стандартами по дисциплине «Физика» и учебными программами, по которым обучаются студенты Сибирской государственной геодезической академии.

Пособие состоит из пяти частей.

Часть I. «Механика» (авторы – Тюшев А.Н., Вылегжанина В.Д.).

Часть II. «Электричество и магнетизм» (авторы – Тюшев А.Н., Вайсберг А.И.).

Часть III. «Колебания и волны. Оптика» (авторы – Тюшев А.Н., Дикусар Л.Д.).

Часть IV. «Молекулярная физика и термодинамика» (авторы – Тюшев А.Н., Лузин А.Н.).

Часть V. «Квантовая физика» (автор – Тюшев А.Н.).

Пособие может быть использовано при изучении курса физики студентами СГГА всех специальностей всех форм обучения. Объем и степень глубины излагаемого в пособии материала соответствуют специальностям с наибольшим числом часов по физике, выделяемых ГОС-2000. Для специальностей с меньшим количеством часов, по усмотрению лектора, некоторые разделы могут быть опущены, некоторые – рассмотрены с меньшей степенью подробности.

В отличие от существующих учебников по физике, настоящее пособие учитывает особенности рабочих программ специальностей СГГА.

Несколько слов об обозначениях. Так же, как и в ФКИ, в формулах, являющихся математическими определениями физических величин, вместо знака равенства использован знак тождества, чтобы подчеркнуть особенную важность этих формул-определений.

Векторные величины отмечаются стрелками над буквами, обозначающими данные величины. Для производной по времени, наряду с обозначением

Лейбница d , используется и точка над буквой, обозначающей функцию, от dt

которой берется производная.

Настоящее пособие в процессе создания неоднократно обсуждалось на кафедре физики, авторы с признательностью приняли и учли много полезных замечаний, сделанных сотрудниками кафедры.

В заключение авторы выражают надежду, что настоящее пособие будет полезно студентам при изучении курса физики. Все замечания и предложения

по тексту пособия просьба направлять на кафедру физики СГГА, авторы примут их с благодарностью.

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Во втором издании учебного пособия «Курс лекций по физике» исправлены замеченные опечатки и добавлены тесты для самоконтроля знаний студентов. Тесты составлены профессором кафедры физики СГГА А.Н. Тюшевым.

Эти тесты представляют собой несложные задачи по основным разделам физики. Задачи помогают развитию логического мышления в рамках уже изученных определений и законов физики. Проверить правильность решений студент может, изучив подробнейшие ответы на все вопросы тестов, где изложена логика решения. Изучение этих ответов полезно даже в том случае, если студент не нашел самостоятельных путей к решению предложенных задач.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ПРИ НАПИСАНИИ 3-Й ЧАСТИ « КУРСА ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ»

1.Тюшев А.Н. Физика в конспективном изложении. Ч. 3. Колебания и волны. Волновая оптика.: учеб. пособие. – Новосибирск: СГГА, 1999, 2002.

2.Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1, 2. – М.: Наука, 1982.

3.Савельев И.В. Курс физики. Т. 1, 2. – М.: Наука, 1989.

4.Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. шк., 1990.

5.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика Т. 4 – М.: Наука, 1985.

6.Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Г.И.Т. – Т.Л., 1952.

7.Крауфорд Ф. Волны. – М.: Физматлит, 1974.

8.Физический энциклопедический словарь / Гл. редактор Прохоров А.Н.

–М.: Сов. энциклопедия, 1973.

9.Физическая энциклопедия / Гл. ред. Прохоров А.М. – М.: Сов. энциклопедия. Т. 1, 1988; Т. 2, 1989; Большая Российская энциклопедия. Т. 3,

1992; Т. 4, 1994; Т.5, 1998.

10.Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982.

11.Спасский Б.И. История физики. Ч. I, II. – М.: Высш. шк., 1977.

12.Храмов Ю.А. Физики. Библиографический справочник. – М.: Наука,

1983.

13. Физический энциклопедический словарь Т. 2, 3. – М.: Сов. энциклопедия, 1962, 1963.