Курс физики.

ICQ 164622947

Самарский Государственный Аэрокосмический университет

имени академика С. П. Королева.

Конспект лекций по физике, физике полупроводников, теоретической физике (электродинамика)

Памяти выдающихся людей и ученых: Лагутской Л. И., Кислицина Н. В., посвящаю эту работу.

Для студентов радиотехнических специальностей.

УДК621.396 2002 г.

Пособие представляет собой систематический курс лекций по физике для студентов радиотехнических специальностей. Содержание лекций соответствует стандартной государственной программе по общей физике, однако, сделаны акценты в соответствие с указанными специальностями. В частности более детально рассмотрены вопросы, связанные с такими разделами как электродинамик, элементы квантовой оптики, квантовая механика, физика полупроводников. В то же время сохранен принцип изложения фундаментального курса.

Пособие предназначено для студентов радиотехнических факультетов, а также может быть полезно для студентов факультетов приборостроительного профиля. Разработано на кафедре «Физика».

Печатается по постановлению редакционно-издательского совета Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева.

Рецензенты: проф. Скворцов Б. Н. доц.Зубарев А. Н.,

Предисловие.

Предлагаемый читателю курс физики, написанный в виде конспекта лекций, предназначен для студентов радиотехнического факультета СГАУ, где автор читал аналогичные курсы 25 лет. Курс написан на основе лекционных курсов читаемых на дневном и вечернем отделении, лабораторного и практического курса. Объем, на первый взгляд, кажется ограниченным по сравнению с известными учебниками и учебными пособиями. Но это сделано преднамеренно, для того, что бы студенты поняли и смогли усвоить основные положения современной физики. Понятно, что ограничиться только данным курсом при изучении предмета невозможно, он скорее является путеводителем по фундаментальным учебникам. Другой отличительной особенностью является на наш взгляд, при сохранении целостности изложении физики как науки, является несколько повышенное внимание уделяемое квантовой картине мира, достаточно подробно рассматриваются классические модели электромагнитного поля и обсуждаются квантовые представления. Сравнительно подробно рассмотрен раздел оптики с точки зрения алгоритмов обработки изображений, формирования многомерных изображений, поясняется физический смысл ряда специальных функций и т. д. Достаточно много внимания уделено квантовой теории твердых тел с точки зрения развивающихся нанотехнологий в полупроводниковой промышленности. Достаточно подробно объясняются квантовые характеристики частиц, их поведение в ансамблях, кристаллах и т. д. Рассмотрены явления физические особенности явлений в полупроводниковых переходах, что обычно в специальных курсах не делается.

При работе с данным конспектом надо внимательно следить за выводами, которые в своем большинстве поясняются иллюстрациями, определения, формулировки законов, примечания выводы выделены различной формой начертания шрифтов, что облегчает восприятие.

Следует упомянуть еще об одной цели, которую преследовал автор порядок изложения и оформления конспекта должен помочь студенту самостоятельно в таком же стиле составлять конспект на лекции, что в последствие значительно упростит усвояемость материала.

Автор надеется, что данный курс лекций окажется полезным для студентов и других вузов и специальностей.

Оглавление.

Механика.

Лекция 1.

Кинематика. Путь, траектория, скорость тела средняя и мгновенная, ускорение тела. Движение материальной точки по окружности по окружности. Уравнения движения.

Лекция 2.

Динамика. Законы Ньютона. Масса. Преобразования координат Галилея.

Лекция 3.

Закон сохранения импульса. Центр масс. Движение тел с переменой массой. Уравнение Мещерского. Формула Циолковского.

Лекция 4.

Работа переменной силы. Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Полная энергия. Закон сохранения энергии. Взаимосвязь массы и энергии.

Лекция 5.

Вращательное движение твердых тел. Степени свободы. Момент силы.

Лекция 6.

Основной закон динамики вращательного движения. Моменты инерции однородных тел правильной формы. Теорема Штейнера.

Лекция 7.

Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Понятие тензора. Гироскопический эффект. Гироскопы. Кинетическая энергия вращающегося тела. Работа при вращательном движении.

Лекция 8.

Движение относительно неинерциальных систем отсчёта. Второй закон динамики для неинерциальных систем отсчета.

Лекция 9.

Основы специальной теории относительности. Принцип относительности Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца.

Определение размеров тел в движущихся системах. Определение интервала времени.

Лекция 10.

Основы специальной теории относительности. Преобразование скоростей. Элементы релятивисткой динамики. Релятивистский импульс.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

Лекция 11.

Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы. Степени свободы молекул. Основные положения МКТ. Законы Дальтона, Амаго.

Лекция 12.

Скорости молекул газа. Опыт Штерна. Распределение молекул по скоростям. Опыт Штерна. Распределение Максвелла. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.

Лекция 13.

Средняя длина свободного пробега. Явления переноса. Диффузия. Вязкость. Теплопроводность.

Лекция 14.

Основные положения термодинамики. Теплоемкость газа. Работа при расширении газа. Первое начало термодинамики. Изопроцессы: применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Внутренняя энергия газа, теплоемкость газа.

Лекция 15.

Второе начало термодинамики. Тепловая машина. Цикл Карно. Приведенное тепло. Неравенство Клаузиуса. Энтропия. Холодильные машины. Обратный цикл Карно.

Электродинамика.

Лекция 16.

Электродинамика неподвижных зарядов. (Электростатика). Элементарные заряды. Закон Кулона. Электрическое поле. Характеристики электрического поля. Электрический диполь. Диполь в однородном и неоднородном, электрических полях. Электростатическая теорема Гаусса.

Лекция 17.

Теорема Гаусса. Примеры расчета электрических полей с помощью теоремы Гаусса. Работа при перемещении заряда в электрическом поле. Циркуляция вектора напряженности. Эквипотенциальные поверхности. Работа по перемещению с одной эквипотенциальной поверхности на другую. Связь между напряженностью и потенциалом поля.

Лекция 18.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Вектор электростатической индукции. Проводники в электрическом поле. Диэлектрики в электрическом поле. Электрическая емкость проводников.

Лекция 19.

Электрический ток. Плотность тока. Закон сохранения электрического заряда. Интегральная и дифференциальная формы закона Ома. Закон Джоуля - Ленца. Сторонняя электродвижущая сила.

Лекция 20.

Основы электронной теории проводимости металлов. Классический вариант (теория Друде). Опыт Мандельштама (Толмена). Элементарная теория проводимости. Закон Джоуля – Ленца, Закон Видемана – Франца (с точки зрения классической электронной теории). Трудности классической электронной теории проводимости.

Лекция 21.

Магнитное поле. Магнитное взаимодействие токов. Закон Ампера. Закон Био - Саварро - Лапласа. Принцип суперпозиции. Магнитное поле прямого тока. Магнитное поле параллельных проводников с током. Магнитное поле на оси кругового тока.

Лекция 22.

Магнитный момент тока. Магнитное напряжение. Теорема о циркуляция вектора напряженности магнитного поля. (Закон полного тока). Вихревой характер магнитного поля. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции. Теорема Стокса.

Лекция 23.

Поток вектора магнитной индукции. Работа в магнитном поле. Контур с током в магнитном поле.

Лекция 24.

Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Закон Фарадея – Максвелла. Правило Ленца. Электронный механизм возникновения ЭДС индукции. Максвелловская трактовка явления электромагнитной индукции. Явление самоиндукции. Индуктивность. Магнитная проницаемость вещества.

Лекция 25.

Энергия магнитного поля. Явление взаимной индукции.

Лекция 26.

Магнитное поле в веществе. Магнитный момент атома. Атом во внешнем магнитном поле. Диамагнетизм. Магнитная восприимчивость диамагнетиков. Парамагнетизм. Ферромагнетизм. Явление гистерезиса. Природа ферромагнетизма. Температура Кюри. Закон Кюри – Вейса.

Лекция 27.

Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Сила Лоренца. Примеры движения заряженных частиц в стационарных магнитных полях. Эффект Холла. Магнитное поле создаваемое зарядом, движущимся с постоянной скоростью.

Лекция 28.

Электромагнитное поле. Операторы электродинамики и действия над ними. Ток смещения. Уравнение Максвелла. (Для электродинамики покоящихся сред).

Колебания и волны.

Лекция 29.

Механические колебания. Пружинный маятник. Математический маятник. Графическое изображение гармонических колебательных процессов. Затухающие колебания.

Лекция 30.

Элементы волновой теории. Волны в упругих средах. Уравнение плоской волны. Уравнение сферической волны. Звуковые волны. Энергия звуковой волны. Эффект Доплера.

Лекция 31.

Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Вынужденные электрические колебания в контуре. Резонанс в электрическом контуре.

Лекция 32.

Электромагнитные волны. Волновое уравнение для электромагнитного поля. Плоская электромагнитная волна. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова - Пойтинга. Основные характеристики и параметры электромагнитных волн.

Оптика.

Лекция 33.

Предварительные сведения. Понятие о когерентности. Понятие о монохроматичности источника излучения. Принцип Гюйгенса - Френеля. Интерференция двух монохроматических волн. Способы получения когерентных пучков в оптике.

Лекция 34.

Интерференция света при отражении от тонких пленок. Пластинка равной толщины. Пластинка переменной толщины Кольца Ньютона. Применение интерференции. Интерферометры.

Лекция 35.

Дифракция света. Предварительные сведения. Метод зон Френеля. Дифракция от круглого отверстия. Дифракция Фраунгофера от щели.

Лекция 36.

Дифракция Фраунгофера на решётке. Дифракция света на правильной структуре. Дифракция на плоской и пространственной структуре. Формула Брэгга-Вульфа.

Лекция 37.

Дисперсия света. Показатель преломления. Дисперсия и разложения светового излучения в спектр. Основные положения электронной теории дисперсии. Понятия нормальной и аномальной дисперсии. Дисперсия и поглощение света. Вычисление фазовой и групповой скорости в среде.

Лекция 38.

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Формулы Френеля Поляризация при двойном лучепреломлении. Поляризационные приборы и приспособления. Эффект Керра (анизотропия в электрическом поле). Эффект Каттона - Мутона.

Лекция 39.

Интерференция в поляризованном свете. Эллиптически поляризованный свет. Вращение плоскости поляризации.

Квантовая природа излучения.

Лекция 40.

Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана – Больцмана. Спектр абсолютно черного тела. Квантовая гипотеза. Формула Планка. Оптическая пирометрия.

Лекция 41.

Основные свойства квантового излучения. Фотоэффект. Квантовая теория фотоэффекта. Эффект Комптона.

Лекция 42.

Волновые свойства частиц. Опыты Девиссона и Джермера. Гипотеза де Бройля. Распространение фотонов и частиц. Волновые свойства микро и макро частиц. Свойства волн де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Основы квантовой механики.

Лекция 43.

Основные понятия квантовой механики. Волновая функция свободной частицы. Операторы квантовой механики. Уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера Частица в одномерной потенциальной яме.

Лекция 44.

Физика атомов и молекул. Модель атома Бора. Сериальные формулы. Комбинационный принцип Ритца. Опыты Резерфорда. Постулаты Бора Элементарная теория Бора для атома водорода.

Лекция 45.

Уравнение Шредингера для атома водорода. Разделение переменных. Решение уравнения Шредингера для угловой части. Момент импульса электрона в атоме водорода и квантовые числа.

Лекция 46.

Уравнение Шредингера для атома водорода. Решение уравнения для радиальной части волновой функции. Общие выводы (обсуждение результатов).

Лекция 47.

Моменты импульса и магнитные моменты электронов в атомах. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона. Полный механический и магнитный моменты электрона. Тонкая структура уровней атома водорода.

Лекция 48.

Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.

Лекция 49.

Квантовая статистика, физика твердого тела. Элементы зонной теории проводимости металлов. Пространство импульсов, элементарные ячейки, плотность состояний. Квантовая статистика электронов в металле (статистика Ферми – Дирака) Электропроводность и теплопроводность металлов.

Лекция 50.

Кристаллы, кристаллические решетки, виды связей, классификация кристаллографических систем. Простые и сложные кристаллические решетки. Миллеровские индексы.

Лекция 51.

Природа взаимодействия атомов в кристаллах. О взаимодействии между атомами и ионами. Типы связей.

Лекция 52.

Контактные явления. Термоэлектронная эмиссия. Контактная ЭДС. Законы Вольта. Эффект Зеебека (ТермоЭДС). Явление Пельтье Элементарная теория полупроводников.

Элементы физики полупроводников.

Лекция 53.

Примесная проводимость полупроводников. P – N переход.

Лекция 54.

Определение концентрации и подвижности свободных носителей заряда в полупроводниках. Температурная зависимость проводимости полупроводников. Магниторезистивный эффект в полупроводниках.

Лекция 55.

Оптические свойства полупроводников. Фотопроводимость. Поглощение света. Связанные электроны. Взаимодействие световых фотонов со свободными носителями. Межзонные переходы. Спектральное распределение фоточувствительности.

Лекция 56.

Стимулированное излучение кристаллов и полупроводников. Оптические квантовые генераторы.

Лекция 57.

Туннельный эффект. Туннельные диоды. Циклотронный резонанс. Эффект Дембера. Ферромагнитный эффект Киккоина – Носкова. Вентильный фотоэффект.

Лекция 58.

Явление сверхпроводимости. Сверхпроводимость двумерного электронного газа. Высокотемпературная проводимость.

Элементы ядерной физики.

Лекция 59.

Состав и размеры атомных ядер. Энергия связи ядер. Магнитные и электрические свойства ядер. Эффект Мёссбауэра.

Лекция 60.

Элементарные частицы. Взаимодействие элементарных частиц.

Лекция 61.(Дополнения к лекции 59)

Элементы ядерной физики. Ядерный парамагнитный резонанс. Ядерный квадрупольный резонанс.

Дополнения к курсу лекций по физике.

Элементы теоретической физики

(Электродинамика)

L-1 Физико – математическая справка, теоремы Грина, Стокса….

L-2 Основные, опытно установленные законы электромагнитных взаимодействий, обобщение понятий заряда, тока, уравнение непрерывности. Уравнеия Максвелла.

L-3 Уравнения Максвелла в потенциалах, Калибровочные преобразования потенциалов.

L-4 Закон Био-Саварро-Лапласа. Связь уравнений Максвелла с уравнениями непрерывности. Обобщение понятия силы действующей на систему движущихся зарядов в заданном электромагнитном поле – полная сила Лоренца; её четырёх мерное выражение, тензор электромагнитного поля. нтегральное соотношение порождаемое уравнениями Максвелла и его конечное истолкование. Исследование интеграла ; Его связь с потенциальной энергией взаимодействия электрических зарядов.

L-5 Исследованиеинтеграла ; Работа образования постоянного тока; Работа виртуального перемещения тока в магнитном поле (потенциальная функция тока). Электрический момент системы зарядов и его связь с механическим. Магнитный момент тока и его связь с механическим. Энергия взаимодействия дипольной системы с внешним полем. Приближенное выражение скалярного потенциала электростатического поля, на расстояниях больших в сравнении с линейными размерами системы. Векторный потенциал системы постоянных токов на далёких расстояниях (дипольное приближение).

L-6 Связь скалярного потенциала определяемого уравнением Пуассона с его граничными значениями. Потенциал и напряженность поля инерциально движущегося точечного заряда. Запаздывающие (опережающие) потенциалы переменного электромагнитного поля. Потенциал и напряженность поля инерциально движущегося точечного заряда. Запаздывающие (опережающие) потенциалы переменного электромагнитного поля. Запаздывающие потенциалы произвольно движущего точечного заряда (Потенциалы Льешарда – Вихерта).

L-7 Напряженности поля произвольно движущегося точечного заряда. Запаздывающие потенциалы поля системы произвольно движущихся зарядов в дипольном приближении (через вектор Герца). Напряженность электромагнитного поля дипольной системы в волновой зоне. Элементарное (феноменологическое) обоснование уравнений Максвелла для поля в средах. Некоторые постулаты и выводы (предсказания) электродинамики не нашедшие экспериментального подтверждения.

L-8 Преобразования Лоренца для пространственно временных координат. Истолкование преобразований Лоренца по Эйнштейну. Преобразования Лоренца для плотностей тока и зарядов. Преобразования Лоренца для потенциалов.

L-9 Преобразования Лоренца для напряженностей электромагнитного поля. Трансформационные свойства силы Лоренца и ее импульса. Преобразования составляющих силы Лоренца в связи с преобразованием Лоренца. Кинематический метод описания электромагнитных взаимодействий.

(Элементы классической и релятивистской динамики)

§1 Релятивистское уравнение движения заряда в электромагнитном поле и его истолкование.

§2 Сопоставление Ньютоновского и релятивистского уравнения на примере одномерного движения под действием постоянной силы.

L-10 §3 Лоренц - инвариантная формулировка уравнения движения. Заряды в ЭМП. Четырех мерные скорость и ускорение.

§4 Сохраняющиеся интегралы движения (классические и релятивистские).

§5 Ньютоновское уравнение движения в форме Лагранжа. Формула Лагранжа, обобщение силы и обобщенные импульсы (Лагранжев формализм).

§6 Релятивистское уравнение движения заряда в электромагнитном поле в форме Лагранжа.

§7 Уравнение Ньютона в форме Гамильтона (Гамильтонов формализм).

L-11 §8 Релятивистская функция Гамильтона для заряда в электромагнитном поле.

§9 Поведение уравнений Лагранжа в зависимости от поведения градиентных преобразований потенциалов.

§10 Уравнение движения в форме Гамильтона-Якоби. Функция действия.

§11 Принцип наименьшего (стационарного) действия (в форме Гамильтона).

§12 Теорема о движении центра инерции замкнутой системы частиц (Классический вариант).

§13 Проблема двух тел, взаимодействующих по центральному закону.

§14 Решение задачи о движении частицы в центральном кулоновском поле.

L12 §15 Малые колебания системы со многими степенями свободы.

§16 Затухающие колебания (одномерный случай).

§17 Импульс и энергия системы независимо действующих частиц в Ц-системе.

§18 Рассеяние частиц кулоновским полем.

§19 Элементарная теория упругого столкновения 2х частиц (Классическая).

§20 Элементарная теория упругого столкновения 2х частиц (Релятивистский случай).

Данный продукт защищен от копирования, любая попытка сделать любую копию приведет к неустранимым нарушениям работы операционной системы, и в конечном итоге к форматированию дисков.