Vật lý Đại cương A2 Nhập Môn

Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 BỘ MÔN - VẬT LÝ BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 Dùng cho sinh viên hệ đại học nghành kỹ thuật Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 GIỚI THIỆU Vật lý học môn học nghiên cứu tất dạng vận động vật chất từ vĩ mô đến vi mô Những thành tựu vật lý học ngày hôm sử dụng hiểu đƣợc đƣợc sản phẩm tƣ loài ngƣời nhà bác học lớn Chƣơng trình vật lý đại cƣơng có mục tiêu truyền đạt đến cho bạn sinh viên cách nhìn tổng quát dạng vận động vật chất, tƣợng, lý thuyết vật lý mà sở việc nắm bắt đƣợc vận động vật chất Song song với chƣơng trình sở cho hoạt động nghiên cứu khoa học ứng dụng khoa học, kỹ thuật đời sống Ta biết rằng, phần vật lý đại cƣơng A1, đối tƣợng nghiên cứu vấn đề học nhiệt học Trong phần vật lý đại cƣơng A2 tìm hiểu thêm dao động, trƣờng tĩnh điện, từ trƣờng, quang sóng, quang lƣợng tử học lƣợng tử Tuy nhiên, việc biên soạn nội dung giảng nằm đề cƣơng thời gian đƣợc phân bố cho môn học nên chuyển tải hết tất vấn đề vật lý học mà vấn đề tổng quan cho đối tƣợng đƣợc nghiên cứu Trên sở tập giảng bạn sinh viên tìm đọc thêm tài liệu tham khảo, giáo trình vật lý tác giả khác ngồi nƣớc để có thêm nhiều thơng tin phục vụ cho công tác học tập nghiên cứu Tập giảng tác giả biên soạn vào niên khóa 2007 - 2008:(1) Ths Nguyễn Phƣớc Thể; (2) Ths Lê Văn Khoa Bảo Đây tập giảng lần đƣợc cung cấp cho sinh viên trƣờng Đại Học Duy Tân sử dụng Lần chỉnh sửa lại số lỗi bổ sung thêm số tập để sinh viên rèn luyện Tuy nhiên tập tài liệu tránh khỏi thiếu sót mong quý đồng nghiệp, đọc giả bạn sinh viên góp ý để đƣợc hồn thiện Bài giảng mơn học: Vật lý đại cương A2 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU II NỘI DUNG §1 TƢƠNG TÁC ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT COULOMB Tƣơng tác điện Thuyết điện tử - Định luật bảo tồn điện tích Định luật Coulomb Nguyên lý chồng chất lực điện §2 ĐIỆN TRƢỜNG 11 Khái niệm điện trƣờng 11 Vectơ cƣờng độ điện trƣờng 11 Vectơ cƣờng độ điện trƣờng gây điện tích điểm .12 Véctơ cƣờng độ điện trƣờng gây hệ vật mang điện - Nguyên lý chồng chất điện trƣờng .13 §3 ĐIỆN THƠNG 16 Đƣờng sức điện trƣờng .16 Véctơ cảm ứng điện 17 Điện thông 18 §5 ĐỊNH LÝ ÔXTRÔGRATXKI - GAUSS (O - G) 20 Thiết lập định lý 20 Phát biểu định lý 21 Ứng dụng định lý O-G 21 Dạng vi phân định lý O – G 23 §6 CƠNG CỦA LỰC TĨNH ĐIỆN - ĐIỆN THẾ 24 Công lực tĩnh điện 24 Thế điện tích điện trƣờng 25 Điện – Hiệu điện 26 CÂU HỎI LÝ THUYẾT 28 BÀI TẬP 29 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 CHƢƠNG 2: .TỪ TRƢỜNG .35 I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU .35 II NỘI DUNG 36 §1 TƢƠNG TÁC TỪ CỦA DÕNG ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT AMPÈRE 36 Thí nghiệm tƣơng tác từ 36 Định luật Ampe (Ampère) tƣơng tác hai dòng điện 37 §2 VECTƠ CẢM ỨNG TỪ, VECTƠ CƢỜNG ĐỘ TỪ TRƢỜNG .39 Khái niệm từ trƣờng 39 Các đại lƣợng đặc trƣng cho từ trƣờng .39 Xác định vectơ cảm ứng từ vectơ cƣờng độ từ trƣờng 41 §3 TỪ THÔNG - ĐỊNH LÝ ÔXTRÔGRATSKI- GAUSS ĐỐI VỚI TỪ TRƢỜNG 44 Đƣờng cảm ứng từ 44 Từ thông 46 Định lý Oxtrogratxki - Gauss từ trƣờng 47 §4 ĐỊNH LÝ AMPÈRE VỀ DÕNG ĐIỆN TOÀN PHẦN 48 Lƣu số vectơ cƣờng độ từ trƣờng 48 Định lý Ampère dòng điện tồn phần 49 Ứng dụng định lý Ampère 52 §5 TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN DÕNG ĐIỆN 54 Lực Ampère 54 Tƣơng tác hai dòng điện thẳng song song dài vô hạn 54 Tác dụng từ trƣờng lên mạch điện kín 55 Công lực từ 56 §6 TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN HẠT ĐIỆN CHUYỂN ĐỘNG 57 Lực Lorentz 57 Chuyển động hạt điện từ trƣờng 58 CÂU HỎI LÝ THUYẾT 60 BÀI TẬP 61 CHƢƠNG 3: .DAO ĐỘNG .67 I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU .68 II NỘI DUNG 68 §1 DAO ĐỘNG CƠ ĐIỀU HÕA 68 Hiện tƣợng 68 Phƣơng trình dao động điều hòa .69 Khảo sát dao động điều hòa .70 Năng lƣợng dao động điều hòa 71 § DAO ĐỘNG CƠ TẮT DẦN 72 Hiện tƣợng 72 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Phƣơng trình dao động tắt dần 72 Khảo sát dao động tắt dần 73 §3 DAO ĐỘNG CƠ CƢỠNG BỨC 74 Hiện tƣợng 74 Phƣơng trình dao động cƣỡng 74 §4 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ ĐIỀU HÕA .76 Mạch dao động điện từ LC 76 Thiết lập phƣơng trình dao động điện từ điều hòa .77 §5 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TẮT DẦN 78 Mạch dao động điện từ RLC .78 Phƣơng trình dao động điện từ tắt dần 78 §6 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ CƢỠNG BỨC .80 Hiện tƣợng 80 Phƣơng trình dao động điện từ cƣỡng 80 §7 TỔNG HỢP DAO ĐỘNG .81 Biểu diễn dao động điều hòa vectơ quay 82 Tổng hợp hai dao động điều hòa phƣơng tần số 82 CÂU HỎI LÝ THUYẾT 83 BÀI TẬP 83 CHƢƠNG 4: THUYẾT TƢƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN 89 I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU .89 II NỘI DUNG 89 §1 CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN .89 Nguyên lí tƣơng đối 89 Nguyên lí bất biến vận tốc ánh sáng 90 §2 ĐỘNG HỌC TƢƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ .90 Sự mâu thuẫn phép biến đổi Galileo với thuyết tƣơng đối Einstein 90 Phép biến đổi Lorentz 91 §3 CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ 92 Khái niệm tính đồng thời quan hệ nhân .93 Sự co lại độ dài (sự co ngắn Lorentz) 93 Sự giãn thời gian 94 Phép biến đổi vận tốc 95 § ĐỘNG LỰC HỌC TƢƠNG ĐỐI 96 Phƣơng trình chuyển động chất điểm .96 Động lƣợng lƣợng 97 Các hệ 98 CÂU HỎI LÍ THUYẾT 99 BÀI TẬP 99 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 CHƢƠNG 5: GIAO THOA ÁNH SÁNG - NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG .102 I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU 102 II NỘI DUNG .103 §1 CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG 103 Một số khái niệm sóng .103 Thuyết điện từ ánh sáng Maxwell 104 Quang lộ 104 Định lí Malus quang lộ 104 Hàm sóng ánh sáng 105 Cƣờng độ sáng 105 Nguyên lí chồng chất sóng 105 Nguyên lí Huygens 106 §2 GIAO THOA ÁNH SÁNG .106 Định nghĩa 106 Khảo sát tƣợng giao thoa 107 §3 GIAO THOA DO PHẢN XẠ - THÍ NGHIỆM Loyd 109 §4 ỨNG DỤNG HIỆN TƢỢNG GIAO THOA 110 Khử phản xạ mặt kính 110 Giao thoa kế Rayleigh (Rêlây) 111 Giao thoa kế Michelson (Maikenxơn) .111 CÂU HỎI LÍ THUYẾT 112 BÀI TẬP 113 §5 HIỆN TƢỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 114 Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng 114 Nguyên lí Huygens - Fresnel .114 §6 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG CỦA SÓNG PHẲNG 115 Nhiễu xạ sóng phẳng qua khe hẹp .115 Nhiễu xạ sóng phẳng truyền qua cách tử phẳng 117 Nhiễu xạ tinh thể 118 CÂU HỎI LÍ THUYẾT 119 BÀI TẬP 119 CHƢƠNG 6: QUANG HỌC LƢỢNG TỬ 124 I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU 124 II NỘI DUNG .124 §1 BỨC XẠ NHIỆT .124 Bức xạ nhiệt ? 124 Các đại lƣợng đặc trƣng xạ nhiệt cân 125 Định luật Kirchhoff 126 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 §2 CÁC ĐỊNH LUẬT PHÁT XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI .127 Định luật Stephan-Boltzmann 128 Định luật Wien 128 Sự khủng hoảng vùng tử ngoại 128 §3 THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK & THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN .129 Thuyết lƣợng tử Planck 129 Thành công thuyết lƣợng tử lƣợng 130 Thuyết photon Einstein .130 Động lực học photon 131 §4 HIỆN TƢỢNG QUANG ĐIỆN 132 Định nghĩa 132 Các định luật quang điện giải thích 133 §5 HIỆU ỨNG COMPTON 135 Hiệu ứng Compton 135 Giải thích thuyết lƣợng tử ánh sáng 136 CÂU HỎI LÍ THUYẾT 137 BÀI TẬP 138 CHƢƠNG 7: CƠ HỌC LƢỢNG TỬ 143 I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU 143 II NỘI DUNG .143 §1 LƢỠNG TÍNH SĨNG HẠT CỦA VI HẠT 143 Lƣỡng tính sóng hạt ánh sáng 143 Giả thuyết de Broglie (Đơbrơi) 145 Thực nghiệm xác nhận tính chất sóng hạt vi mơ 145 §2 NGUN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG 146 §3 HÀM SÓNG 148 Hàm sóng 149 Ý nghĩa thống kê hàm sóng 149 Điều kiện hàm sóng 150 §4 PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER 150 §5 ỨNG DỤNG CỦA PHƢƠNG TRÌNH SCHRODINGER .152 Hạt giếng 152 Hiệu ứng đƣờng ngầm .155 Dao động tử điều hòa lƣợng tử 158 CÂU HỎI LÍ THUYẾT 159 BÀI TẬP 160 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 CHƢƠNG 1Equation Chapter Section TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU Nắm vững định nghĩa hiểu đƣợc ý nghĩa vật lý đơn vị đo đại lƣợng: véctơ cƣờng độ điện trƣờng, điện thế, hiệu điện thế, điện thông Hiểu vận dụng đƣợc định luật Coulomb, định lý Ơxtrơgratxki – Gauss, ngun lý chồng chất điện trƣờng để giải toán tĩnh điện Nhớ vận dụng đƣợc biểu thức mô tả mối quan hệ véctơ cƣờng độ điện trƣờng điện II NỘI DUNG §1 TƢƠNG TÁC ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT COULOMB Tƣơng tác điện Cho đến ngày nay, tất công nhận tự nhiên tồn hai loại điện tích, điện tích dƣơng điện tích âm Thực nghiệm xác nhận điện tích có tồn tƣơng tác, đƣợc gọi tương tác điện Các điện tích dấu đẩy nhau, điện tích trái dấu hút Thuyết điện tử - Định luật bảo toàn điện tích Từ kỷ thứ trƣớc cơng ngun, ngƣời ta thấy hổ phách cọ xát vào lông thú, có khả hút đƣợc vật nhẹ Cuối kỷ 16, Gilbert (ngƣời Anh) nghiên Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 cứu chi tiết nhận thấy nhiều chất khác nhƣ thủy tinh, lƣu huỳnh, nhựa v v có tính chất giống nhƣ hổ phách gọi vật có khả hút đƣợc vật khác sau cọ xát vào nhau, vật nhiễm điện hay vật tích điện Các vật có điện tích Ta làm cho vật nhiễm điện cách đặt tiếp xúc với vật khác nhiễm điện Ví dụ ta treo hai vật nhẹ lên hai sợi dây mảnh, cho chúng tiếp xúc với êbơnít đƣợc cọ xát vào da, chúng đẩy Nếu vật đƣợc nhiễm điện êbơnít, vật đƣợc nhiễm điện thủy tinh, chúng hút Điều chứng tỏ điện tích xuất êbơnit thủy tinh loại điện tích khác Bằng cách thí nghiệm với nhiều vật khác ta thấy có hai loại điện tích Ngƣời ta qui ƣớc gọi loại điện tích xuất thủy tinh sau cọ xát vào lụa điện tích dƣơng, loại điện tích âm Giữa vật nhiễm điện có tƣơng tác điện: vật nhiễm loại điện đẩy nhau, vật nhiễm điện khác loại hút Thuyết điện tử Điện tích vật có cấu tạo gián đoạn, độ lớn ln số ngun lần điện tích nguyên tố Điện tích nguyên tố âm điện tích electron (điện tử) có giá trị e  1,6.1019C , khối lƣợng electron me  9,1.1031kg Nguyên tử nguyên tố gồm hạt nhân êlectrôn chuyển động xung quanh hạt nhân Hạt nhân nguyên tử gồm proton mang điện dƣơng notron không mang điện Ở trạng thái bình thƣờng, số proton số êlectrơn ngun tử Do ngun tử trung hòa điện Nếu nguyên tử hay vài êlectrôn, mang điện dƣơng trở thành ion dƣơng Nếu ngun tử thu thêm êlectrơn, tích điện âm trở thành ion âm Quá trình nhiễm điện vật thể q trình vật thể thu thêm hay số êlectôn ion Thuyết dựa vào chuyển dời electron để giải thích tƣợng điện đƣợc gọi thuyết điện tử Theo thuyết này, trình nhiễm điện thủy tinh xát vào lụa trình electron chuyển dời từ thủy tinh sang lụa: thủy tinh electron, mang điện dƣơng; ngƣợc lại lụa nhận thêm electron từ th�o phƣơng x bên giếng (hình 7.6) Thế U đƣợc xác định theo điều kiện: 0  x  a U   x  0, x  a Nhƣ bên giếng hạt chuyển động tự khơng thể vƣợt ngồi giếng Phƣơng trình Schrodinger hạt giếng (U = 0) chiều (chiều x) có dạng: Đặt k  Hình 7-6 Giếng d 2 ( x) 2mE   ( x)  dx  (7.19) d 2 ( x)  k 2 ( x)  dx (7.20) 2mE , ta có: 2 Nghiệm phƣơng trình (7.20) có dạng  ( x)  Asin kx  B cos kx 152 (7.21) Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 A, B số đƣợc xác định từ điều kiện hàm sóng Theo đầu hạt giếng thế, xác suất tìm hạt vùng ngồi giếng khơng hàm sóng vùng Từ điều kiện liên tục hàm sóng ta suy  (0)  ,  (a)   (0)  A sin(0)  B   B  Và  (a)  Asin ka  Vì B = nên để tồn hàm sóng A  , đó: sin ka   sin ka  sin n; n 1,2, Suy ra, k n ; a n  1,2, (7.22) Nhƣ ta có dãy nghiệm hàm sóng có dạng:  ( x)  A sin n x, a (7.23) thỏa mãn điều kiện biên miền Hằng số A đƣợc xác định từ điều kiện chuẩn hóa (7.10) hàm sóng Vì hạt khơng thể khỏi giếng nên xác suất tìm thấy hạt giếng chắn: a   ( x) dx 1 n x vào ta đƣợc a a a a n A2  n2  ( x ) dx  A sin x dx   cos  0 0 a 0  a Thế  ( x)  A sin Do đó, A  A2a  x  dx  1  a Nhƣ hàm sóng đƣợc xác định hồn tồn:  n ( x)  n sin x a a (7.24) Năng lƣợng hạt giếng đƣợc tìm thấy ta thay biểu thức (7.22) vào k2  2mE ta đƣợc 2 En   2 2ma 153 n2 (7.25) ...Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 GIỚI THIỆU Vật lý học môn học nghiên cứu tất dạng vận động vật chất từ vĩ mô đến vi mô Những thành tựu vật lý học ngày hôm sử dụng hiểu... 160 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 CHƢƠNG 1Equation Chapter Section TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU Nắm vững định nghĩa hiểu đƣợc ý nghĩa vật lý đơn vị đo đại lƣợng: véctơ cƣờng...( a) 156 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 ta rút hệ thức sau A1  B1  A2  B2              ik1 ( A1  B1 )  k2 ( A2  B2 )              A2e k2a  B2ek2a 