vmest.ru страница 1страница 2
скачать файл

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)



Ильиных Н.И., Пилипенко Г.И., Вандышева И.В.

ФИЗИКА



Часть 4. Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика, физика твердого тела.

Методические указания по выполнению практических работ для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования специальности для направления подготовки

210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

по профилям: «Оптические системы и сети связи», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Сети связи и системы коммутации», «Цифровое телерадиовещание», «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»

Квалификация (степень) выпускника «Бакалавр»

Екатеринбург
2012

ББК 22.3

УДК 53



Рецензент: доцент кафедры общей физики и естествознания УрГПУ, к.ф.-м.н Сабирзянов А.А.


Ильиных Н.И., Пилипенко Г.И., Вандышева И.В.

Физика. Часть 4. Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика, физика твердого тела: Методические указания по выполнению практических работ /Н.И.Ильиных, Г.И.Пилипенко, И.В.Вандышева. – Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 2012. - 68 с.


Методические указания предназначены для студентов, изучающих дисциплину «Физика» и содержат краткие теоретические сведения, необходимые для решения задач, примеры решения задач, задачи для самостоятельного решения, список необходимой литературы.
Рекомендовано НМС УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве методических указаний по выполнению практических занятий для студентов очной формы на базе среднего (полного) общего образования для направления подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» по профилям: «Оптические системы и сети связи», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Сети связи и системы коммутации», «Цифровое телерадиовещание», «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи» (квалификация (степень) выпускника «Бакалавр»).

ББК 22.3


УДК 53
Кафедра высшей математики и физики

 УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2012




СОДЕРЖАНИЕ



Пояснительная записка

4

Общие методические указания к решению задач

5

Практическое занятие 1

6

Практическое занятие 2

15

Практическое занятие 3

31

Практическое занятие 4

45

Практическое занятие 5

54

Список литературы

67

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Изучение курса физики для студентов инженерных специальностей имеет особое значение, поскольку физика лежит в основе всех наук о природе, является фундаментом естествознания. Успехи физики существенно влияют на научно-технический прогресс: фундаментальные законы природы, установленные физикой, постоянно используются в науке и технике. Знание физики будущим инженером необходимо для формирования научного мировоззрения и научного образа мышления, осознанного изучения общеинженерных и специальных дисциплин, умения видеть естественно - научное содержание проблем, возникающих в практической деятельности специалиста.

Цель данного учебного пособия - оказать помощь студенту в закреплении теоретических знаний курса «Физика» и приобретении необходимых навыков решения задач, необходимых при выполнении домашних и контрольных работ. Однако данное пособие не заменяет работу над этим курсом по учебникам. При создании пособия авторы руководствовались действующей программой курса «Физика». Пособие содержит методические указания по решению задач, краткое изложение основных положений и тем курса по разделу «Оптика». Приведены примеры решения наиболее типичных задач по указанным разделам, а также задачи для самостоятельного решения.

Объем часов, отведенных на проведение каждой работы, а также ее тема указаны в таблице.
Перечень практических работ


Перечень практических занятий

Количество часов

1 Интерференция света.

2 Дифракция света. Поляризация света.

3 Тепловое излучение. Фотоэффект. Эффект Комптона

4. Соотношение неопределенностей. Уравнение Шредингера

5. Статистика электронов в полупроводниках. Электропроводность полупроводников. Контактные явления


2

2

2



2

2


Итого:

10



ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ
При решении задач необходимо пользоваться следующей схемой:

  • Внимательно прочитать условие задачи.

  • Выписать столбиком все величины, входящие в условие, и выразить их в одних единицах (преимущественно в Международной системе единиц СИ).

  • Если это возможно, представить условие задачи в виде четкого рисунка. Правильно сделанный рисунок – это наполовину решенная задача.

  • Уяснить физическую сущность задачи, установить основные законы и формулы, на которых базируется условие задачи.

  • Если при решении задачи применяется формула, полученная для частного случая, не выражающая какой-нибудь физический закон или не являющаяся определением какой-нибудь физической величины, то ее следует вывести.

  • Решить задачу сначала в общем виде, то есть, в буквенных обозначениях, заданных в условии задачи. При таком способе решения не производятся вычисления промежуточных величин

  • После получения расчетной формулы для проверки ее правильности следует подставить в правую часть формулы вместо символов величин их размерности, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица соответствует искомой величине. Если такого соответствия нет, то это означает, что задача решена неверно.

  • Подставить в конечную формулу числовые значения, выраженные в единицах СИ. В виде исключения допускается выражать в любых, но одинаковых единицах числовые значения однородных величин, стоящих в числителе и знаменателе дроби и имеющих одинаковые степени.

  • При подстановке в расчетную формулу, а также при записи ответа числовые значения величин следует записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 3520 надо записать 3,52103, вместо 0,00129 записать 1,2910-3 и т. п.

  • Вычисления по расчетной формуле надо проводить с соблюдением правил приближенных вычислений. Как правило, окончательный ответ следует записывать с тремя значащими цифрами. Это относится и к случаю, когда результат получен с применением калькулятора.

  • Решение задачи должно сопровождаться краткими, но исчерпывающими пояснениями и комментариями.

Практическое занятие 1

Тема: «Интерференция света»

Цель:

  1. Закрепление теоретических знаний дисциплины по теме: «Интерференция света».

  2. Привитие навыков решения задач по данной теме.


Краткая теория.

Интерференцияэто устойчивое перераспределение интенсивности волн в пространстве. Это свойство всех волн, в т.ч. световых. Закон сохранения энергии не нарушается, энергия из одних точек переходит в другие.

Интерференцией света называется явление перераспределения световой энергии в пространстве в результате сложения двух или нескольких световых лучей.

Условия наблюдения интерференции:

  • Волны должны быть монохроматическими.

  • Волны должны быть поляризованы в одной и той же плоскости.

  • Волны должны быть преимущественно одного направления.

  • Волны должны быть когерентными.

Монохроматические волны - неограниченные в пространстве волны одной строго определенной и строго постоянной частоты.

Когерентные волны - волны, имеющие постоянную во времени разность фаз.

Волны, испускаемые обычными источниками, некогерентны, так как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света. Причина этого заключается в следующем. Атомы вещества излучают независимо друг от друга. Излучение отдельного атома продолжается ~10-8с и в течение этого промежутка времени волны, испускаемые атомами, имеют постоянные амплитуду и фазу колебаний. Затем возбужденный атом возвращается в нормальное состояние и излучение им света прекращается. Через некоторое время может начаться новый процесс излучения, не связанный с предыдущим по фазе. Излучение источника складывается из излучений отдельных атомов, которые происходят независимо друг от друга. Прерывистое излучение света атомами в виде коротких отдельных импульсов называется волновым цугом. Любой немонохроматический свет можно представит в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гармонических цугов. Т.о., волна, излучаемая источником, может считаться когерентной лишь в течение очень короткого времени.

Следовательно, получить интерференционную картину от двух независимых источников света практически невозможно (исключение составляют лазеры). Поэтому для получения когерентных волн применяют метод разделения волны, излучаемой одним источником, на две части, которые после прохождения разных оптических путей накладываются друг на друга, в результате чего наблюдается интерференционная картина. Для этого используют зеркала, щели, экраны, призмы и т.д. Поскольку обе волны образовались как части одной, исходной волны, их можно считать когерентными.

Оптической длиной пути световой волны называется произведение показателя преломления среды на геометрический путь , проходимый волной:

L = n/l. (1.1)

Оптическая разность хода двух световых волн - разность их оптических длин пути

= L2L1. (1.2)

Зависимость разности фаз от оптической разности хода световых волн

, (1.3)

где  длина световой волны.

Для того, чтобы в данной точке пространства световые лучи усиливали друг друга, т.е. наблюдался максимум интерференционной картины, необходимо, чтобы их разность хода была равна целому числу длин волн

или , (1.4)

где m = 0, 1, 2, 3,…

Условие максимального ослабления света (минимум интерференционной картины):

или . (1.5)

При падении плоской световой волны на тонкую прозрачную пластинку (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пластинки. В результате возникают две световые волны, которые могут интерферировать. Интерференционная картина определяется разностью хода междудвумя интерферирующими лучами. Оптическая разность хода лучей, отразившихся от верхней и нижней поверхностей пленки равна:



(1.6)

где b - толщина пленки; n - показатель преломления; - угол падения;  - длина волны света. Второе слагаемое в правой части уравнения появляется из-за того, что при отражении света от оптически более плотной среды происходит скачок фазы на  у отраженной волны, т.е., «потеря» полуволны. Меняя угол падения, мы будем наблюдать последовательную смену максимумов и минимумов отражения. В случае некогерентных волн по мере увеличения угла падения интенсивность отраженного света будет монотонно уменьшаться.

Рис. 1

Классическим примером интерференции в тонких пленках являются кольца Ньютона. Они наблюдаются при отражении света от соприкасающихся друг с другом плоскопараллельной толстой стеклянной пластинки и плоско-выпуклой линзы с большим радиусом кривизны (рис. 1). Роль тонкой пленки, от поверхностей которой отражаются когерентные волны, играет воздушный зазор между пластиной и линзой (вследствие больших толщин пластинки и линзы за счет отражений от других поверхностей интерференционные полосы не возникают). При нормальном падении света интерференционные полосы имеют вид концентрических окружностей, при наклонном падении – эллипсов.



Радиус светлых колец Ньютона в отраженном свете

, (1.7)

где k =1, 2, 3, 4,…. - номер кольца; R - радиус кривизны линзы.

Радиус темных колец Ньютона в отраженном свете

. (1.8)

При наблюдении в проходящем свете то формулы (1.7) и (1.8) меняются местами.



Применение интерференции:

  1. Просветление оптики. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы сопровождается отражением ≈ 4% его интенсивности. Поскольку современные оптические приборы содержат большое количество линз, зеркал, светоделительных устройств, потери интенсивности на них становятся значительными. Одной из главных задач при построении оптических устройств является уменьшение потерь интенсивности света и получение высокоотражающих поверхностей. Для этого на свободные поверхности линз наносится пленка из оптически прозрачного материала с показателем преломления, меньшим, чем материал линзы. Параметры пленки подбираются таким образом, что лучи, отразившиеся от ее верхней и нижней поверхностей гасят друг друга. В результате увеличивается световой поток, прошедший внутрь камеры. Этот прием называется просветлением оптики.

  2. Интерферометрия – совокупность методов оптических измерений различных физических величин с помощью интерферометров.

  3. Интерферометры – оптические измерительные приборы, основанные на явлении интерференции света. Они позволяют с высокой степенью точности измерять линейные и угловые расстояния, малые разности показателей преломления, исследовать структуру спектральных линий и т.п. Существуют интерферометры Майкельсона, Жамена, Фабри - Перо, Рождественского, Маха - Цендера и др.



Примеры решения задач.
Задача 1. Сколько длин волн монохроматического света с частотой колебаний = 5·1014 Гц уложится на пути длиной = 1,2 мм: 1) в вакууме; 2) в стекле?


Дано:

СИ:

ν = 5·1014 Гц




мм

1.2∙10-3 м

n = 1,5




с = 3·108 м/с




k1 = ?

k2 = ?




Решение:

Количество длин волн в вакууме (учитывая, что ):



Количество длин волн в стекле:



Анализируя эти уравнения, мы видим, что количество длин волн в стекле увеличивается в n раз, так как при переходе света из вакуума в среду длина волны уменьшается. По условию нам дана частота света ν, поэтому воспользуемся зависимостью , где с – скорость света в вакууме.

Выразим λ0: ,

отсюда: , .

Подставим численные значения:

1) в вакууме:



.

2) в стекле:





Ответ: ,

Задача 2. Расстояние d между двумя щелями в опыте Юнга равно 1 мм, расстояние от щелей до экрана равно 3 м (рис. 7). Определить длину волны λ, испускаемой источником монохроматического света, если ширина Δх полос интерференции на экране равна 1,5 мм.

Дано:

СС:

d=1 мм

10-3 м

=3 м




Δх=1,5 мм

1,5·10-3 м

λ=?








d

Экран


Рис. 2

S2

S1



Решение:

Условие интерференционного минимума: ,где k = 1, 2,…

Разность хода от двух когерентных источников (при >> d)

Рассмотрим минимумы k и (k+1)-го порядков и приравняем оптические разности хода соответствующих лучей:



Вычтем из верхнего уравнения нижнее, получаем:



Ширина интерференционной полосы: , следовательно, получим:



,

где х – ширина интерференционной полосы; d – расстояние между мнимыми источниками; – расстояние от источника до экрана.

Откуда длина волны: .

Подставим численные значения:



(нм).

Ответ: 500 нм.
Задача 3. Какой длины путь пройдет фронт волны монохроматического света в вакууме за то же время, за какое он проходит путь длиной м в воде?


Дано:

n1 = 1

n2 = 1,33

м

t1 = t2



Решение:

Время – это есть отношение длины пути к скорости волны:



.

Абсолютный показатель преломления среды:



,

где с – скорость света в вакууме, V- скорость света в среде. Откуда:



Время, за которое пройдет фронт волны монохроматического света в вакууме:



,

в воде: ,

т.к. t1 = t2, то .

Из этого равенства следует, что длина пути



Подставим численные значения:



(м).

Ответ: м.

Задача 4. Оптическая разность хода  двух интерферирующих волн монохроматического света равна 0,3 . Определить разность фаз .


Дано:

 = 0,3 

 = ?

Решение:

Разность фаз колебаний 2-х когерентных волн:



,

где Δ = L2L1 – оптическая разность хода 2-х волн, L = ℓn – оптическая длина пути, – геометрическая длина пути волны, n – показатель преломления среды, λ0 – длина волны в вакууме. Подставим численные значения:



.

Ответ: .

Задача 5. На мыльную пленку (), находящуюся в воздухе, падает нормально пучок лучей белого света (рис. 8). При какой наименьшей толщине пленки отраженный свет с длиной волны мкм окажется максимально усиленным в результате интерференции?

Дано:



мкм

Си:
0,55·10-6 м



Решение:

Условие максимума усиления света:



, k = 0, 1, 2…

(1)

Оптическая разность хода:

, учли n1 = 1

, т.к. n1 < n.

(2)
скачать файл


следующая страница >>
Смотрите также:
Физика часть Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика, физика твердого тела
799.03kb.
Физика часть Волновая и квантовая оптика. Квантовая физика, физика твердого тела
795.86kb.
Пояснительная записка для интегрированного курса физика-информатика «Физика вокруг нас»
74.06kb.
Программа дисциплины «Квантовая теория твердого тела»
107.67kb.
Программа государственного экзамена бакалавров «Физика и электроника твердого тела»
44.89kb.
Рабочая программа учебной дисциплины (рпуд)
121.24kb.
Рабочая программа для студентов очной формы обучения, направление 011200. 62 «Физика», профиль подготовки «Фундаментальная физика»
408.06kb.
Литература: Н. Ф. Степанов «Квантовая механика и квантовая химия»
26.09kb.
Митио Каку Физика невозможного «Физика невозможного»
4787.34kb.
Рабочая учебная программа по дисциплине Физика По направлению подготовки 230700 «Прикладная информатика»
142.54kb.
Г. Долгопрудный, 2012 Рабочая программа составлена на основании паспорта научной специальности 25. 00. 29 «Физика атмосферы и гидросферы», в соответствии с Программой минимум кандидатского экзамена по специальности 25. 00
63.39kb.
Школа-конференция для молодых ученых «Химическая физика для нанобиотехнологий» II молодежная конференция «Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов»
145.96kb.