Лекции.Орг


Поиск:




Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника

 

 

 

 


III. Примеры решения задач




 

Требования к оформлению решения задачи:

1. Изучить условие и ввести буквенные обозначения величин (если их нет в условии), сделать краткую запись условия;

2. Перевести данные в СИ или обосновать, почему такой перевод нецелесообразен;

3. Построить чертеж (график, схему соединений, схему установки и пр.) в подходящем масштабе. На чертеже проставить обозначения используемых (введенных) величин. На графиках оси координат обозначать стрелками (возможно, с разрывами и изменением масштаба), а также обязательно проставить обозначение и через запятую - наименование физической величины. При необходимости следует выделять фрагмент чертежа в отдельный чертеж, рисунок, схему;

4. Указать используемые физические законы и дать их математическое выражение (формулы). Все символы должны быть расшифрованы с указанием физической величины, единицы измерения и размерности;

5. Решить задачу в общем виде (в виде уравнения, системы уравнений и пр., которые включают в себя как искомые, так и заданные (введенные, табличные) величины). Вывести рабочую формулу. Нумерация формул производится по правому краю строки в круглых скобках;

6. Проанализировать это решение на предмет выявления избыточных данных;

7. По рабочей формуле проверить размерность искомой физической величины;

8. Определить необходимую для расчета точность задания данных и произвести расчет по рабочей формуле;

9. Проанализировать полученный результат с точки зрения его реальности (соответствия здравому смыслу), а именно, сравнить его с табличными значениями, с другими аналогичными результатами, выполнить предельные переходы;

10. Результат решения задачи записывать отдельной строкой, начиная со слова «Ответ:». В ответе привести найденное значение физической величины с нужной точностью, а также указать ее наименование.

Оценка решения (по десятибалльной шкале):

1. Полное количество баллов ставится тогда, когда:

- правильно выполнены необходимые чертежи (рисунки), поясняющие содержание и ход решения задачи;

- данные задачи приведены в одну систему единиц (желательно в СИ),

- верны исходные формулы и задача решена в общем виде; в окончательную формулу подставлены числовые данные и получен правильный ответ;

- решение во всех частях оформлено аккуратно.

2. Баллы снимаются в следующих случаях:

- до 5 баллов – за отсутствие пояснения хода решения задачи;

- до 5 баллов – за отсутствие чертежа (рисунка) поясняющего содержание и ход решения задачи или небрежное оформление правильно решенной задачи;

- до 5 баллов – за отсутствие решения в общем виде;

- до 5 баллов – за ошибки при переводе величин в одну систему единиц (СИ) или ошибки в промежуточных расчетах при правильных исходных формулах и верном ходе решения.

 

Рассмотрим конкретный пример решения и оформления задачи.

 

Плоская монохроматическая волна (l = 0.60 мкм) падает на диафрагму с узкой щелью ширины b = 0.04 мм. За щелью находится собирающая линза (f = 40 см), в фокальной плоскости которой расположен экран для наблюдения интерференции. Определить положение минимумов первого и второго порядков на экране и относительную интенсивность первого максимума.

Прежде, чем начать решать задачу, необходимо четко уяснить физический смысл задачи и тех вопросов, которые поставлены в ней. Для облегчения решения задачи и повышения ее наглядности необходимо, если это возможно, представить (оптическую) схему установки.

Как правило, решение задачи надо искать вначале в общем виде, получая выражение искомой физической величины через другие, приводимые в условии задачи. На этом этапе можно оценить правильность решения по размерности и характеру полученной зависимости (по поведению решения в характерных точках).

Анализ условия задачи. Как следует из описания установки, наблюдается дифракция в параллельных лучах (дифракция Фраунгофера). Оптическая схема строится так, что в каждую фиксированную точку экрана приходят волны, которые после щели образуют плоский фронт, повернутый по отношению к фронту падающей волны на некоторый угол j (j - угол дифракции). В падающей волне колебания во всех точках фронта происходят в одинаковой фазе. Вдоль фронта дифрагированой волны фаза от точки к точке изменяется, и, например, для точек А и В (см. рис.) разность фаз равна

(1)

Интенсивность в той или иной точке экрана, а, следовательно, положение минимумов и максимумов на экране можно найти по принципу Гюйгенса – Френеля, как результат интерференции когерентных вторичных волн, исходящих из различных точек волнового фронта на щели, с учетом разности фаз вторичных волн.

Проще всего провести геометрическое сложение колебаний, приходящих в некоторую точку экрана. Для этого разобьем щель на Z очень узких элементарных полосок ширины Db каждая. При достаточно малых значениях Db можно считать, что все вторичные источники одной элементарной полоски изучают волны, которые при заданном угле j подходят к линзе без разности хода, т.е. без разности фаз. Поскольку тонкая линза не изменяет фазы проходящих через нее волн, то такие волны придут к соответствующей точке экрана так же без сдвига по фазе.

Обозначим di - разность фаз между волнами от двух соседних элементарных полосок, аi - амплитуда результирующей волны, излучаемой одной полоской. Очевидно, результат векторного сложения будет тем точнее, чем меньше ширина Db каждой элементарной полоски и, соответственно, чем больше число Z таких полосок. В пределе при Db®O число z® . В этом случае z® .

,

где d - разность фаз между волнами, излучаемыми вторичными источниками, расположенными по краям щели. Предел.

lim z ai =A0,

где A0 -результирующая амплитуда колебаний, которая имела бы место, если бы волны от всех вторичных источников приходили в некоторую точку экрана без разности фаз.

В данной схеме такой точкой является точка 0, совпадающая с главным фокусом линзы. В точке 0 собираются лучи, параллельные оптической оси линзы, для которой угол дифракции j = 0.

При векторном сложении колебания от отдельных элементарных полосок представляются векторами разной длины. Но из–за cдвига фаз такие векторы повернуты один относительно другого на один и тот же угол di, образуя звенья правильной ломаной линии. Когда каждый из векторов стремится к нулю, получим плавную кривую, имеющую форму дуги окружности, ее длина L = A0, где А0 - результирующая амплитуда в точке 0 экрана (рис.). Соответствующий этой дуге центральный угол равен d. Искомая амплитуда Аj -хорда, стягивающая эту дугу.

Для расчета Аd рассмотрим D СОД. Очевидно,

ОД = Аj /2 = r sin(d/2)

Радиус окружности

r = L/d.Тогда Аj = А0

Учитывая, что интенсивность I» Aj2, получим:

Á = Á0 sin2 (d/2)/ (d/2)2, (2)

где

Á0» A02 - интенсивность центрального максимума.

Как следует из выражения (2), Á = 0, если sin(d/2)= 0

т.е d/2 = mp, где m = I, 2, 3, …, или d = 2mp.

Учитывая выражение (1) получим условие минимумов:

b sinj = ml (3)

Между двумя соседними минимумами располагаются максимумы различных порядков. Их положения определяются из решения трансцендентного уравнения tg d/2 = d/2. Практически можно считать, что максимумы располагаются посередине между соседними минимумами, т.е. положение максимумов определяется приближенным условием

b sinj = (2к + 1)l/2 (4)

 

 

 

 

 

Решение.

 

В точку х = 0 — главный фокус линзы — приходят лучи, идущие под углом j = 0, т.е. в этой точке наблюдается центральный максимум. Координата любой точки на экране, в которую приходят лучи, связана с углом дифракции j следующим образом:

х = f tgj (5)

Для минимумов 1-ого и 2-ого порядков угол j удовлетворяет условию (3) (m1 = 1 и m2 = 2)

Полученные значения синусов настолько малы, что можно считать sinj = tgj. Тогда по формуле (5) имеем координаты минимумов 1-го и 2-ого порядков

х1 = 6 мм и х2 = 12 мм.

Положение максимумов первого порядка также может быть определено из равенств (5) и (4) при к = 1

sinj/1 = 3l / (2b) x/1 = 9 мм

Чтобы определить относительную интенсивность первого максимума, используем выражение (2). Подставив условие (4) При к = 1 в (1) получим d = 3p, откуда (см. (2))

Á1 / Á0 = 4 / (9p2)» 0,045.

Ответ: х1 = 6 мм и х2 = 12 мм. Á1 / Á0» 0,045

 

 





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2016-11-12; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 679 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Лучшая месть – огромный успех. © Фрэнк Синатра
==> читать все изречения...

2230 - | 2117 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.012 с.