Уфимский государственный авиационный

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СБОРНИК

ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

 

 

 

По разделам: «Оптика», «Атомная и ядерная физика»

 

 

Уфа 2004

 

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СБОРНИК

ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

По разделам: «Оптика», «Атомная и ядерная физика»

Уфа 2004

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

 

СБОРНИК

ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

 

по разделам: «Оптика», «Атомная и ядерная физика»

 

Уфа 2004

Составители: С.А. Шатохин, Е.В. Трофимова, Г.П. Михайлов

 

 

УДК [535+539.1](07)

 

ББК [22.34+22.38](Я7)

 

 

Сборник индивидуальных заданий по разделам курса общей физики «Оптика», «Атомная и ядерная физика». / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост.: С.А. Шатохин, Е.В. Трофимова, Г.П. Михайлов. – Уфа, 2004. - 58 с.

 

Приведены задачи по волновой и квантовой оптике, квантовой механике, физики атома, твердого тела, атомного ядра и дан список индивидуальных заданий.

Сборник предназначен для самостоятельной работы студентов дневного отделения и контрольных работ студентов заочного отделения, изучающих III раздел курса общей физики.

 

 

Библиогр.: 3 назв.

 

Рецензенты: А.С. Краузе

Э.З. Якупов

 

 

© Уфимский государственный

авиационный

технический университет, 2004

Содержание

Введение......................................................................................................... 4

Указания к выполнению заданий и контрольных работ........................ 5

1. Интерференция света.............................................................................. 6

2. Дифракция света...................................................................................... 9

3. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом.................. 14

4. Поляризация света................................................................................. 15

5. Квантовая природа излучения............................................................ 19

6. Теория атома водорода по Бору......................................................... 26

7. Элементы квантовой механики........................................................... 30

8. Элементы современной физики атомов и молекул......................... 36

9. Элементы физики твердого тела......................................................... 40

10. Элементы физики атомного ядра...................................................... 43

Индивидуальные задания.......................................................................... 51

Литература................................................................................................... 53

Приложение................................................................................................. 54

 

Введение

В сборнике подобраны задачи по разделам: «Оптика», «Атомная и ядерная физика» курса общей физики, предназначенные для самостоятельной работы студентов – выполнения домашних заданий и контрольных работ.

Содержание задач направлено на формирование у студентов знаний физических явлений, законов, формул, единиц измерения физических величин, умения применять законы для решения качественных и расчетных задач, графически представить физические явления и законы, анализировать их. Решение задач формирует навыки самостоятельного мышления.

Самостоятельная работа студентов поможет им при подготовке к экзамену, и будет способствовать более глубокому изучению данного раздела курса общей физики.

Указания к выполнению заданий и контрольных работ.

Номера вариантов и темы заданий определяет преподаватель.

К выполнению индивидуальных занятий (или контрольных работ для заочников) рекомендуется приступать после изучения материала, соответствующего данному разделу программы, внимательного ознакомления с примерами решения задач, приведенных в методических указаниях по данному разделу (см. «Волновая и квантовая оптика». Методические указания к практическим занятиям по курсу общей физики: УГАТУ, Сост. В.Р. Строкина, С.А. Шатохин, Уфа, 2003).

Задания и контрольные работы выполняются в обычной школьной тетради, на обложке которой приводятся сведения:

- для очного отделения – Фамилия И.О. студента, группа, индивидуальные задания по физике по III части;

- для заочного отделения – студент … факультета заочного отделения УГАТУ, группа, Фамилия И.О., адрес, контрольная работа №3.

Для замечаний преподавателя в тетради оставляются поля. Каждая следующая задача должна начинаться с новой страницы. Условия задач переписываются полностью, без сокращений.

В решении необходимо указать основные законы и формулы, на которых базируется решение задачи, дать словесную формулировку этих законов, разъяснить смысл символов, употребляемых в записи формул. Если при решении задачи применяется формула, справедливая для частного случая, не выражающая какой-либо физический закон или не являющаяся определением физической величины, то ее следует вывести.

Во всех случаях, когда это возможно, должен быть представлен чертеж, поясняющий задачу. Решение задачи должно сопровождаться краткими, но исчерпывающими пояснениями.

Результат должен быть получен в общем виде, сделана проверка, дает ли рабочая формула правильную размерность искомой величины, подставлены числовые данные и получен окончательный числовой результат.

Все величины, входящие в условие задачи, выразить в единицах одной системы (преимущественно СИ) и для наглядности выписать столбиком.

 

Интерференция света

1.1. Определить длину отрезка l ₁, на котором укладывается столько же длин волн монохроматического света в вакууме, сколько их укладывается на отрезке l ₂ = 5 мм в стекле. Показатель преломления стекла n ₂ = 1,5. Ответ: 7,5 мм.

1.2. В опыте с зеркалами Френеля расстояние d между мнимыми изображениями источника света равно 0,5 мм, расстояние l от них до экрана равно 5 м. В желтом свете ширина интерференционных полос равна 6 мм. Определить длину волны желтого света. Ответ: 0,6 мкм.

1.3. Расстояние между двумя щелями в опыте Юнга d = 0,5 мм (λ=0,6 мкм). Определить расстояние l от щелей до экрана, если ширина Δx интерференционных полос равна 1,2 мм. Ответ: 1 м.

1.4. В опыте Юнга расстояние l от щелей до экрана равно 3 м. Определить угловое расстояние между соседними светлыми полосами, если третья светлая полоса на экране отстоит от центра интерференционной картины на расстоянии 4,5 мм. Ответ: 5^.10^-4 рад.

1.5. Если в опыте Юнга на пути одного из интерферирующих лучей поместить перпендикулярно этому лучу тонкую стеклянную пластинку (п = 1,5), то центральная светлая полоса смещается в положение, первоначально занимаемое пятой светлой полосой. Длина волны λ = 0,5 мкм. Определить толщину пластинки. Ответ: 5 мкм.

1.6. Определить, во сколько раз изменится ширина интерференционных полос на экране в опыте с зеркалами Френеля, если фиолетовый светофильтр (0,4 мкм) заменить красным (0,7 мкм). Ответ: Увеличится в 1,75 раза.

1.7. Расстояние от бипризмы Френеля до узкой щели и экрана соответственно равны а = 30 см и b = 1,5 м. Бипризма стеклянная (n = 1,5) с преломляющим углом Θ = 20'. Определить длину волны света, если ширина интерференционных полос Δ x = 0,65 мм. Ответ: 0,63 мкм.

1.8. Расстояния от бипризмы Френеля до узкой щели и экрана соответственно равны a = 48 см и b = 6 м. Бипризма стеклянная (n = 1,5) с преломляющим углом Θ = 10'. Определить максимальное число полос, наблюдаемых на экране, если λ = 600 нм. Ответ: 6.

1.9. На плоскопараллельную пленку с показателем преломления n = 1,33 под углом α = 45° падает параллельный пучок белого света. Определить, при какой наименьшей толщине пленки зеркально отраженный свет наиболее сильно окрасится в желтый свет (λ = 0,6 мкм). Ответ: 133 нм.

1.10. На стеклянный клин (n = 1,5) нормально падает монохроматический свет (λ = 698 нм). Определить угол между поверхностями клина, если расстояние между двумя соседними интерференционными минимумами в отраженном свете равно 2 мм. Ответ: 24".

1.11. На стеклянный клин (n = 1,5) нормально падает монохроматический свет. Угол клина равен 4'. Определить длину световой волны, если расстояние между двумя соседними интерференционными максимумами в отраженном свете равно 0,2 мм. Ответ: 698 нм.

1.12. На тонкую мыльную пленку (n = 1,33) под углом Θ = 30° падает монохроматический свет с длиной волны λ = 0,6 мкм. Определить угол между поверхностями пленки, если расстояние b между ин­терференционными полосами в отраженном свете равно 4 мм. Ответ: 12,5".

1.13. Монохроматический свет падает нормально на поверхность воздушного клина, причем расстояние между интерференционными полосами Δ x ₁ = 0,4 мм. Определить расстояние Δ x ₂ между интерференционными полосами, если пространство между пластинками, образующими клин, заполнить прозрачной жидкостью с показателем преломления n = 1,33. Ответ: 0,3 мм.

1.14. Плосковыпуклая линза радиусом кривизны 4 м выпуклой сто­роной лежит на стеклянной пластинке. Определить длину волны падающего монохроматического света, если радиус пятого светлого кольца в отраженном свете равен 3 мм. Ответ: 0,5 мкм.

1.15. Установка для наблюдения колец Ньютона освещается монохроматическим светом с длиной волны λ = 0,6 мкм, падающим нормально. Пространство между линзой и стеклянной пластин­кой заполнено жидкостью, и наблюдение ведется в проходящем свете. Радиус кривизны линзы R = 4 м. Определить показатель преломления жидкости, если радиус второго светлого кольца r = 1,8 мм. Ответ: 1,48.

1.16. Установка для наблюдения колец Ньютона освещается моно­хроматическим светом с длиной волны λ = 0,55 мкм, падающим нормально. Определить толщину воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой в том месте, где в отраженном свете наблюдается четвертое темное кольцо. Ответ: 1,1 мкм.

1.17. Плосковыпуклая линза с показателем преломления n = 1,6 выпуклой стороной лежит на стеклянной пластинке. Радиус третьего светлого кольца в отраженном свете (λ = 0,6 мкм) равен 0,9 мм. Определить фокусное расстояние линзы. Ответ: 0,9 м.

1.18. Плосковыпуклая линза с радиусом сферической поверхности R = 12,5 см прижата к стеклянной пластинке. Диаметры десятого и пятнадцатого темных колец Ньютона в отраженном свете соответственно равны 1 и 1,5 мм. Определить длину волны света. Ответ: 0,5 мкм.

1.19. Установка для наблюдения колец Ньютона освещается моно­хроматическим светом, падающим нормально. При заполнении пространства между линзой и стеклянной пластинкой прозрач­ной жидкостью радиусы темных колец в отраженном свете уменьшились в 1,21 раза. Определить показатель преломления жидкости. Ответ: 1,46.

1.20. Для уменьшения потерь света из-за отражения от поверхностей стекла осуществляют «просветление оптики»: на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления . В этом случае амплитуды отраженных лучей от обеих поверхностей такой пленки одинаковы. Определить толщину слоя, при которой отражение для света с длиной волны λ от стекла в направлении нормали равна нулю. Ответ: d = (2 m + l)λ / (4 ), m = 0, 1, 2,...

1.21. Определить длину волны света в опыте с интерферометром Майкельсона, если для смещения интерференционной картины на 112 полос зеркало пришлось переместить на расстояние l = 33 мкм. Ответ: 589 нм.

1.22. Для измерения показателя преломления аммиака в одно из плеч интерферометра Майкельсона помещена закрытая с обеих сторон откачанная до высокого вакуума стеклянная трубка длиной l = 15 см. При заполнении трубки аммиаком интерференционная картина для длины волны λ= 589 нм сместилась на 192 полосы. Определить показатель преломления аммиака. Ответ: 1,000377.

1.23. На пути лучей интерференционного рефрактометра помещаются трубки длиной l = 2 см с плоскопараллельными стеклянными основаниями, наполненные воздухом (n₀ = 1,000277). Одну трубку заполнили хлором, и при этом интерференционная картина сместилась на m₀ = 20 полос. Определить показатель преломления хлора, если наблюдения производятся с монохроматическим светом с длиной волны λ = 589 нм. Ответ: 1,000866.

 

Дифракция света

2.1. Точечный источник света (λ = 0,5 мкм) расположен на расстоянии а = 1 м перед диафрагмой с круглым отверстием диаметра d = 2 мм. Определить расстояние b от диафрагмы до точки наблюдения, если отверстие открывает три зоны Френеля. Ответ: 2 м.

2.2. Определить радиус третьей зоны Френеля, если расстояния от точечного источника света (λ = 0,6 мкм) до волновой поверхно­сти и от волновой поверхности до точки наблюдения равны 1,5 м. Ответ: 1,16 мм.

2.3. На диафрагму с круглым отверстием диаметром d = 5 мм падает нормально параллельный пучок света с длиной волны λ = 0,6 мкм. Определить расстояние от точки наблюдения до отверстия, если отверстие открывает: 1) две зоны Френеля; 2) три зоны Фре­неля. Ответ: 1) 5,21 м; 2) 3,47 м.

2.4. Определить радиус третьей зоны Френеля для случая плоской волны. Расстояние от волновой поверхности до точки наблюде­ния равно 1,5 м. Длина волны λ = 0,6 мкм. Ответ: 1,64 мм.

2.5. Определить радиус четвертой зоны Френеля, если радиус вто­рой зоны Френеля для плоского волнового фронта равен 2 мм. Ответ: 2,83 мм.

2.6. Определить радиус первой зоны Френеля, если расстояния от точечного источника света (λ = 0,5 мкм) до зонной пластинки и от пластинки до места наблюдения а = b = 1 м. Ответ: 0,5 мм.

2.7. На зонную пластинку падает плоская монохроматическая волна (λ = 0,5 мкм). Определить радиус первой зоны Френеля, если расстояние от зонной пластинки до места наблюдения b = 1 м. Ответ: 707 мкм.

2.8. Зонная пластинка дает изображение источника, удаленного от нее на 2 м, на расстоянии 1 м от своей поверхности. Где полу­чится изображение источника, если его удалить в бесконечность? Ответ: 66,7 см.

2.9. Дифракция наблюдается на расстоянии 1 м от точечного источника монохроматического света (λ = 0,5 мкм). Посередине между источником света и экраном находится диафрагма с круглым отверстием. Определить радиус отверстия, при котором центр дифракционных колец на экране является наиболее темным. Ответ: 0,5 мм.

2.10. Сферическая волна, распространяющаяся из точечного монохроматического источника света (λ = 0,6 мкм), встречает на своем пути экран с круглым отверстием радиусом r = 0,4 мм. Расстояние b от источника до экрана равно 1 м. Определить расстояние от отверстия до точки экрана, лежащей на линии, соединяющей источник с центром отверстия, где наблюдается максимум освещенности. Ответ: 36,3 см.

2.11. На экран с круглым отверстием радиусом r = 1,5 мм нормально падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны λ = 0,5 мкм. Точка наблюдения находится на оси отверстия на расстоянии b = 1,5 м от него. Определить: 1) число зон Френеля, укладывающихся в отверстии; 2) темное или светлое кольцо наблюдается в центре дифракционной картины, если в месте наблюдения помещен экран. Ответ: 1) 3; 2) светлое.

2.12. На экран с круглым отверстием радиусом r = 1,2 мм нормально падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны λ = 0,6 мкм. Определить максимальное расстояние от отверстия на его оси, где еще можно наблюдать наиболее темное пятно. Ответ: 1,2 м.

2.13. Показать, что за круглым экраном С в точке В, лежащей на ли­нии, соединяющей точечный источник с центром экрана, будет наблюдаться светлое пятно. Размеры экрана принять достаточно малыми.

2.14. На узкую щель шириной b = 0,05 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны λ = 694 нм. Определить направление света на вторую светлую дифракционную полосу (по отношению к первоначальному направлению света). Ответ: 2°.

2.15. На узкую щель падает нормально монохроматический свет. Его направление на четвертую темную дифракционную полосу составляет 2°12'. Определить, сколько длин волн укладывается на ширине щели. Ответ: 104.

2.16. На щель шириной а = 0,1 мм падает нормально монохроматический свет (λ = 0,6 мкм). Экран, на котором наблюдается дифракционная картина, расположен параллельно щели на расстоянии l = 1 м. Определить расстояние Δxмежду первыми дифракционными минимумами, расположенными по обе стороны центрального фраунгоферова максимума Ответ: 1,2 см.

2.17. На щель шириной а = 0,1 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны λ = 0,5 мкм. Дифракционная картина наблюдается на экране, расположенном параллельно щели. Определить расстояние l от щели до экрана, если ширина центрального дифракционного максимума Δx = 1 см. Ответ: 1 м.

2.18. Монохроматический свет с длиной волны λ = 0,6 мкм падает на длинную прямоугольную щель шириной а = 12 мкм под углом Θ = 45° к ее нормали. Определить угловое положение первых минимумов, расположенных по обе стороны центрального фраунгоферова максимума. Ответ: 49°12', 41°6'.

2.19. Монохроматический свет падает на длинную прямоугольную щель шириной а = 12 мкм под углом α = 30° к ее нормали. Опре­делить длину волны λ света, если направление на первый мини­мум (k = 1) от центрального фраунгоферова максимума состав­ляет 33°. Ответ: 536 нм.

2.20. На дифракционную решетку нормально падает монохроматиче­ский свет с длиной волны λ = 600 нм. Определить наибольший порядок спектра, полученный с помощью этой решетки, если ее постоянная d = 2 мкм. Ответ: 3.

2.21. На дифракционную решетку длиной l = 1,5 мм, содержащей N = 3000 штрихов, падает нормально монохроматический свет с дли­ной волны λ = 550 нм. Определить: 1) число максимумов, наблю­даемых в спектре дифракционной решетки; 2) угол, соответст­вующий последнему максимуму. Ответ: 1) 18; 2) 81°54'.

2.22. Определить число штрихов на 1 мм дифракционной решетки, если углу φ= 30° соответствует максимум четвертого порядка для монохроматического света с длиной волны λ= 0,5 мкм. Ответ: 250 мм^-1.

2.23. На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет с длиной волны λ = 0,5 мкм. На экран, находящийся от решетки на расстоянии L = 1 м, с помощью линзы, расположенной вблизи решетки, проецируется дифракционная картина, причем первый главный максимум наблюдается на расстоянии l = 15 см от центрального. Определить число штрихов на 1 см дифракционной решетки. Ответ: 3^.10³ см^-1.

2.24. Монохроматический свет нормально падает на дифракционную решетку. Определить угол дифракции, соответствующий максимуму четвертого порядка, если максимум третьего порядка отклонен на φ = 18°. Ответ: 24°20'.

2.25. На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет. Определить угол дифракции для линии 0,55 мкм в четвертом порядке, если этот угол для линии 0,6 мкм в третьем порядке составляет 30°. Ответ: 37°42'.

2.26. На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет. В спектре, полученном с помощью этой дифракционной решетки, некоторая спектральная линия наблюдается в первом порядке под углом φ = 11°. Определить наивысший порядок спектра, в котором может наблюдаться эта линия. Ответ: 5.

2.27. Определить длину волны монохроматического света, падаю­щего нормально на дифракционную решетку, имеющую 300 штрихов на 1 мм, если угол между направлениями на максимумы первого и второго порядков составляет 12°. Ответ: 644 нм.

2.28. Определить толщину плоскопараллельной стеклянной пла­стинки (п = 1,55), при которой в отраженном свете максимум второго порядка для λ = 0,65 мкм наблюдается под тем же углом, что и у дифракционной решетки с постоянной d = 1 мкм. Ответ: 577 нм.

2.29. На дифракционную решетку с постоянной d = 5 мкм под углом Θ = 30° падает монохроматический свет с длиной волны λ = 0,5 мкм. Определить угол φ дифракции для главного макси­мума третьего порядка. Ответ: 53°8'.

2.30. На дифракционную решетку под углом Θ падает монохроматический свет с длиной волны λ. Найти условие, определяющее направления на главные максимумы, при условии, что d >> m λ (m – порядок спектра).

Ответ: d^. cosΘ^.(φ - Θ) ≈ m λ.

2.31. Узкий параллельный пучок рентгеновского излучения с длиной волны λ = 245 нм падает на естественную грань монокристалла каменной соли. Определить расстояние d между атомными плоскостями монокристалла, если дифракционный максимум второго порядка наблюдается при падении излучения к поверхности мо­нокристалла под углом скольжения Θ = 61°. Ответ: 0,28 нм.

2.32. Узкий параллельный пучок монохроматического рентгеновского излучения падает на грань кристалла с расстоянием d между его атомными плоскостями 0,3 нм. Определить длину волны рентгеновского излучения, если под углом Θ = 30° к плоскости грани наблюдается дифракционный максимум первого порядка. Ответ: 300 нм.

2.33. На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет с длиной волны λ = 0,6 мкм. Угол дифракции для пятого максимума равен 30°, а минимальная разрешаемая решеткой разность длин волн составляет Δλ = 0,2 нм. Определить: 1) постоянную дифракционной решетки; 2) длину дифракционной решетки. Ответ: 1) 6 мкм; 2) 3,6 мм.

2.34. Сравнить наибольшую разрешающую способность для красной линии кадмия (λ= 644 нм) двух дифракционных решеток одинаковой длины (l = 5 мм), но разных периодов (d₁ = 4 мкм, d₂ = 8 мкм). Ответ: R _1max = R _2max = 7500.

2.35. Показать, что для данной λ максимальная разрешающая способность дифракционных решеток, имеющих разные периоды, но одинаковую длину, имеет одно и то же значение. Ответ: R_max = 1/λ.

2.36. Определить постоянную дифракционной решетки, если она в первом порядке разрешает две спектральные линии калия (λ₁ = 578 нм и λ₂ = 580 нм). Длина решетки l = 1 см. Ответ: 34,6 мкм.

2.37. Постоянная d дифракционной решетки длиной l = 2,5 см равна 5 мкм. Определить разность длин волн, разрешаемую этой решеткой, для света с длиной волны λ = 0,5 мкм в спектре второго порядка. Ответ: 50 пм.

2.38. Дифракционная решетка имеет N = 1000 штрихов и постоянную d = 10 мкм. Определить: 1) угловую дисперсию для угла дифракции φ = 30° в спектре третьего порядка; 2) разрешающую способность дифракционной решетки в спектре пятого порядка. Ответ: 1) 3,46^.10⁵ рад/м; 2) 5000.

2.39. Определить длину волны, для которой дифракционная решетка с постоянной d = 3 мкм в спектре второго порядка имеет угловую дисперсию D = 7^.10⁵ рад/м. Ответ: 457 нм.

2.40. Угловая дисперсия дифракционной решетки для λ = 500 нм в спектре второго порядка равна 4,08^.10⁵ рад/м. Определить постоянную дифракционной решетки. Ответ: 5 мкм.

 

Поляризация света

4.1. Описать поведение светового вектора Е в данной точке про­странства в случае эллиптически поляризованного света.

4.2. Определить степень поляризации частично поляризованного света, если амплитуда светового вектора, соответствующая максимальной интенсивности света, в 3 раза больше амплитуды, соответствующей его минимальной интенсивности. Ответ: 0,5.

4.3. Степень поляризации частично поляризованного света составляет 0,75. Определить отношение максимальной интенсивности света, пропускаемого анализатором, к минимальной. Ответ: I_max / I_min = 7.

4.4. Определить степень поляризации P света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света равна интенсивности естественного. Ответ: 0,5.

4.5. Определить степень поляризации P света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света в 5 раз больше интенсив­ности естественного. Ответ: 0,833.

4.6. Угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора составляет 30°. Определить изменение интенсивности прошедшего через них света, если угол между главными плоскостями равен 45°. Ответ: Уменьшится в 1,5 раза.

4.7. Интенсивность естественного света, прошедшего через два николя, уменьшилась в 8 раз. Пренебрегая поглощением света, определить угол между главными плоскостями николей. Ответ: 60°.

4.8. Определить, во сколько раз ослабится интенсивность света, прошедшего через два николя, расположенные так, что угол между их главными плоскостями α = 60°, а в каждом из николей теряется 8 % интенсивности падающего на него света. Ответ: В 9,45 раза.

4.9. Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света, прошедшего через два николя, главные плоскости которых образуют угол в 60°, если каждый из николей как поглощает, так и отражает 5 % падающего на них света. Ответ: В 9,88 раза.

4.10. Естественный свет проходит через поляризатор и анализатор, угол между главными плоскостями которых равен α. Поляризатор и анализатор как поглощают, так и отражают 10 % падающего на них света. Определить угол α, если интенсивность света, вышедшего из анализатора, равна 12 % интенсивности света, падающего на поляризатор. Ответ: 56°47'.

4.11. Естественный свет интенсивностью I₀ проходит через поляризатор и анализатор, угол между главными плоскостями которых составляет α. После прохождения света через эту систему он падает на зеркало и, отразившись, проходит вновь через нее. Пренебрегая поглощением света, определить интенсивность I света после его обратного прохождения. Ответ: I = ½^. I₀^. cos⁴α.

4.12. Доказать, что при падении света на границу раздела двух сред под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

4.13. Пучок естественного света падает под углом α = 30° к стеклянной поверхности. Определить показатель преломления стекла, если отраженный луч является плоскополяризованным. Ответ: 1,73.

4.14. Определить показатель преломления стекла, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления 35°. Ответ: 1,43.

4.15. Определить, под каким углом к горизонту должно находиться Солнце, чтобы лучи, отраженные от поверхности озера (n = 1,33), были максимально поляризованы. Ответ: 36°56'.

4.16. Свет, проходя через жидкость, налитую в стеклянный сосуд (n = 1,5), отражается от дна, причем отраженный свет плоскополяризован при падении его на дно сосуда под углом 41°. Определить: 1) показатель преломления жидкости; 2) угол падения света на дно сосуда, чтобы наблюдалось полное отражение. Ответ: 1) 1,73; 2) 60°7'.

4.17. Параллельный пучок света падает нормально на пластинку из исландского шпата, толщиной 50 мкм, вырезанную параллельно оптической оси. Принимая показатели преломления исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей соответст­венно n₀ = 1,66 и n_е = 1,49, определить разность хода этих лучей, прошедших через пластинку. Ответ: 8,5 мкм.

4.18. Плоскополяризованный свет, длина волны которого в вакууме λ = 589 нм, падает на пластинку исландского шпата перпендику­лярно его оптической оси. Принимая показатели преломления исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно п₀ = 1,66 и п_е= 1,49, определить длины волн этих лучей в кристалле. Ответ: λ₀ = 355 нм, λ_е = 395 нм.

4.19. Плоскополяризованный свет, длина волны которого в вакууме λ = 530 нм, падает на пластинку из кварца перпендикулярно его оптической оси. Определить показатели преломления кварца для обыкновенного (n₀) и необыкновенного (n_е) лучей, если длины волн этих лучей в кристалле соответственно равны λ₀ = 344 нм и λ_e = 341 нм. Ответ: n₀ =1,54, n_e =1,55.

4.20. Определить наименьшую толщину кристаллической пластинки в четверть волны для n = 530 нм, если разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей для данной длины волны п_е – n₀ = 0,01. Пластинкой в четверть волны называется кристаллическая пластинка, вырезанная параллельно оптической оси, при прохождении через которую в направлении, перпендикулярном оптической оси, обыкновенный и необыкновенный лучи, не изменяя своего направления, приобретают разность хода, равную λ/4. Ответ: 13,3 мкм.

4.21. Используя задачу 4.20, дать определение кристаллической пластинки «в целую волну» и определить ее наименьшую толщину для λ = 530 нм, если разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей для данной длины волны п₀ – n_e = 0,01. Ответ: 53 мкм.

4.22. Объяснить, изменится ли наблюдаемая оптическая картина в случае эффекта Керра, если направление электрического поля изменить на противоположное.

4.23. Определить толщину кварцевой пластинки, для которой угол поворота плоскости поляризации монохроматического света определенной длины волны φ = 180°. Удельное вращение в кварце для данной длины волны α = 0,52 рад/мм. Ответ: 6,04 мм.

4.24. Пластинка кварца толщиной d₁ = 2 мм, вырезанная перпенди­кулярно оптической оси кристалла, поворачивает плоскость по­ляризации монохроматического света определенной длины волны на угол φ₁ = 30°. Определить толщину d₂ кварцевой пластинки, помещенной между параллельными николями, чтобы данный мо­нохроматический свет гасился полностью. Ответ: 6 мм.

4.25. Определить массовую концентрацию С сахарного раствора, если при прохождении света через трубку длиной l = 20 см с этим раствором плоскость поляризации света поворачивается на угол φ = 10°. Удельное вращение α сахара равно 1,17^.10^-2 рад^.м²/кг. Ответ: 74,8 кг/м³.

4.26. Раствор глюкозы с массовой концентрацией C₁ = 0,21 г/см³, находящийся в стеклянной трубке, поворачивает плоскость поляризации монохроматического света, проходящего через раствор, на угол φ₁ = 24°. Определить массовую концентрацию С₂ глюкозы в другом растворе в трубке такой же длины, если он поворачивает плоскость поляризации на угол φ₂ = 18°. Ответ: 157 кг/м³.

4.27. Плоскополяризованный монохроматический свет, прошедший через поляроид, оказывается полностью погашенным. Если же на пути света поместить кварцевую пластинку, то интенсивность прошедшего через поляроид света уменьшается в 3 раза (по сравнению с интенсивностью света, падающего на поляроид). Принимая удельное вращение в кварце α = 0,52 рад/мм и пренебрегая потерями света, определить минимальную толщину кварцевой пластинки. Ответ: 1,19 мм.

 

Квантовая природа излучения

5.1. Объяснить, почему в неотапливаемом помещении температура всех тел одинакова.

5.2. Объяснить, почему открытые окна домов со стороны улиц ка­жутся черными.

5.3. Чайная фарфоровая чашка на светлом фоне имеет темный рису­нок. Объяснить, почему если эту чашку быстро вынуть из печи, где она нагревалась до высокой температуры, и рассматривать в темноте, то наблюдается светлый рисунок на темном фоне.

5.4. Имеется два одинаковых алюминиевых чайника, в которых до одной и той же температуры нагрето одинаковое количество воды. Один чайник закопчен, а другой – чистый. Объяснить, ка­кой из чайников остынет быстрее и почему.

5.5. Определить, во сколько раз необходимо уменьшить термодина­мическую температуру черного тела, чтобы его энергетическая светимость R_э ослабилась в 16 раз. Ответ: В 2 раза.

5.6. Температура внутренней поверхности муфельной печи при от­крытом отверстии площадью 30 см² равна 1,3 кК. Принимая, что отверстие печи излучает как черное тело, определить, какая часть мощности рассеивается стенками, если потребляемая печью мощность составляет 1,5 кВт. Ответ: 0,676.

5.7. Энергетическая светимость черного тела R_э = 10 кВт/м². Определить длину волны, соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической светимости этого тела. Ответ: 4,47 мкм.

5.8. Определить, как и во сколько раз изменится мощность излуче­ния черного тела, если длина волны, соответствующая макси­муму его спектральной плотности энергетической светимости, сместилась с λ₁ = 720 нм до λ₂ = 400 нм. Ответ: Увеличится в 10,5 раза.

5.9. Черное тело находится при температуре T₁ = 3 кК. При остыва­нии тела длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости, изменилась на Δλ = 8 мкм. Определить температуру Т₂, до которой тело охлади­лось. Ответ: 323 К.

5.10. Черное тело нагрели от температуры T₁ = 600 К до Т₂ = 2400 К. Определить: 1) во сколько раз увеличилась его энергетическая светимость; 2) как изменилась длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости. Ответ: 1) в 256 раз; 2) уменьшилась на 3,62 мкм.

5.11. Площадь, ограниченная графиком спектральной плотности энергетической светимости r_λT черного тела, при переходе от термодинамической температуры Т₁ к температуре Т₂ увеличилась в 5 раз. Определить, как изменится при этом длина волны λ_max, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости черного тела. Ответ: Уменьшится в 1,49 раза.

5.12. В результате нагревания черного тела длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости, сместилась с λ₁ = 2,7 мкм до λ₂ = 0,9 мкм. Определить, во сколько раз увеличилась: 1) энергетическая светимость тела; 2) максимальная спектральная плотность энергетической светимости тела. Максимальная спектральная плотность энергетической светимости черного тела возрастает согласно закону r_λT = СТ⁵,

где С = 1,3^.10^-5 Вт/(м^3.К⁵). Ответ: 1) в 81 раз; 2) в 243 раза.

5.13. Определить, какая длина волны соответствует максимальной спектральной плотности энергетической светимости (r_λT)_max, равной 1,3^.10¹¹ (Вт/м²)/м (см. задачу 5.12). Ответ: 1,83 мкм.

5.14. Считая никель черным телом, определить мощность, необходимую для поддержания температуры расплавленного никеля 1453 °С неизменной, если площадь его поверхности равна 0,5 см². Потерями энергии пренебречь. Ответ: 25,2 Вт.

5.15. Металлическая поверхность площадью S = 15 см², нагретая до температуры Т = 3000 К, излучает в одну минуту 100 кДж. Опре­делить: 1) энергию, излучаемую этой поверхностью, считая ее черной; 2) отношение энергетических светимостей этой поверх­ности и черного тела при данной температуре. Ответ: 1) 413 кДж; 2) 0,242.

5.16. Принимая Солнце за черное тело, и учитывая, что его макси­мальной спектральной плотности энергетической светимости соответствует длина волны λ = 500 нм, определить: 1) температуру поверхности Солнца; 2) энергию, излучаемую Солнцем в виде электромагнитных волн за 10 мин; 3) массу, теряемую Солнцем за это время за счет излучения. Ответ: 1) 5800 К; 2) 2,34^.10²⁹ Дж; 3) 2,6^.10¹² кг.

5.17. Определить температуру тела, при которой оно при температуре окружающей среды t₀ = 23 °С излучало энергии в 10 раз больше, чем поглощало. Ответ: 533 К.

5.18. Считая, что тепловые потери обусловлены только излучением, определить, какую мощность необходимо подводить к медному шарику диаметром d = 2 см, чтобы при температуре окружающей среды t₀ = -13 °С поддерживать его температуру равной t = 17 °C. Принять поглощательную способность меди А_T = 0,6. Ответ: 0,107 Вт.

5.19. Определить силу тока, протекающего по вольфрамовой проволоке диаметром d = 0,8 мм, температура которой в вакууме поддерживается постоянной и равной t = 2800 °С. Поверхность проволоки принять в качестве серой с поглощательной способностью А_T = 0,343. Удельное сопротивление проволоки при данной температуре ρ = 0,92^.10^-4 Ом^.см. Температура окружающей проволоку среды t₀ = 17 °C. Ответ: 48,8 А.

5.20. Преобразовать формулу Планка для спектральной плотности энергетической светимости черного тела от переменной ν к п