Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Студенческий документ № 065808 из РОАТ МИИТ (бывш. РГОТУПС, ВЗИИТ)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ"

МИИТ

Одобрено кафедрой

"Физика и химия"

ФИЗИКА избранные главы

Задания на контрольную работу № 4

с методическими указаниями

для студентов 2 курса

направления: 210700.62 Инфокоммуникационные

системы и технологии

Москва - 2012

Составители: канд. техн. наук, доц. Т.Ф. Климова

ст. преп. В.Э. Геогджаев

Рецензент: доктор физ.-мат. наук, проф. З. Л. Шулиманова

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

При выполнении контрольной работы студенты изучают физические основы распространения световых сигналов по оптическим волокнам - теорию электромагнитного поля Максвелла и особенности взаимодействия электромагнитных волн с веществом.

Перед выполнением контрольной работы студенту необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, уравнениями и формулами, приведенными в методических указаниях.

Контрольная работа состоит из четырех заданий и охватывает следующие разделы физики:

Задачи № 1- 2 - Основы теории электромагнитного поля Максвелла. Свойства электромагнитных волн

Задачи № 3 - 4 - Фазовая и групповая скорость. Дисперсия.

Студенты выполняют контрольную работу, выбирая номера задач по таблице 1 по вариантам, соответствующим последней цифре шифра

Таблица 1

Номер задачи Номер варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 11 12 13 14 15 16 Ё7 18 19 20 3 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 4 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Правила оформления контрольных работ и решения задач:

1. Условия всех задач студенты переписывают полностью без сокращений.

2. Все значения величин, заданных в условии и привлекаемых из справочных таблиц, записывают для наглядности сокращенно (столбиком) в тех же единицах, которые заданы, а затем рядом осуществляют перевод в единицы СИ.

3. Все задачи следует решать в СИ.

4. В части задач необходимо выполнять чертежи или графики с обозначением всех величин. Рисунки надо выполнять аккуратно, используя чертежные инструменты; объяснение решения должно быть согласовано с обозначениями на рисунках.

5. Необходимо указать физические законы, которые должны быть использованы, и аргументировать возможность их применения для решения данной задачи.

6. С помощью этих законов, учитывая условие задачи, получить необходимые расчетные формулы.

7. Вывод формул и решение задач следует сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями.

8. Использованные в формулах буквенные обозначения должны быть согласованы с обозначениями, приведенными в условии задачи и на приведенном рисунке. Дополнительные буквенные обозначения следует сопровождать соответствующими объяснениями.

9. Получив расчетную формулу, необходимо проверить ее размерность.

Пример проверки размерности:

[v] = 10. Основные физические законы, которыми следует пользоваться при решении задач (вывод расчетных формул), приведены в каждом из разделов. Там же приведены некоторые формулы, которыми можно пользоваться без вывода.

11. После проверки размерности полученных формул проводится численное решение задачи.

12. Вычисления следует производить по правилам приближенных вычислений с точностью, соответствующей точности исходных числовых данных условия задачи. Числа следует записывать в стандартном виде, используя множитель 10, например не 0,000347, а 3,47·10-4.

13. Каждая последующая задача должна начинаться с новой страницы.

14. В конце контрольной работы необходимо указать учебные пособия, учебники, использованные при ее выполнении, и дату сдачи работы и поставить подпись.

15. Если контрольная работа не допущена к зачету, то все необходимые дополнения и исправления сдают вместе с незачтенной работой. Исправления в тексте незачтенной работы не допускаются.

16. Допущенные к зачету контрольные работы с внесенными уточнениями предъявляются преподавателю на зачете. Студент должен быть готов дать во время зачета пояснения по решению всех выполненных задач.

Основная литература:

1. Т. И Трофимова. Курс физики: Учебное пособие. М.: Академия,, 2008

2. Т.И Трофимова. Сборник задач по курсу физики с решениями М.: Высшая школа. 2008

3. В.Ф. Дмитриева Основы физики. М. Высшая школа, 2007

4. В.Н. Недостаев. Физика. Конспект лекций т. 1-2. - М., РГОТУПС, 2005

Дополнительная литература:

5. С. Е Мельханов Общая физика. Конспект лекций, М.: Высшая школа, 2001

6. В.М. Гладской Физика. Сборник задач с решениями, М.:Дрофа, 2004

7. Т.И. Трофимова Физика. 500 основных законов и формул. М., Высшая школа, 2003

8. В. Ф. Дмитриева, В. Ф. Прокофьев. Основы физики. М.: Высшая школа, 2002

9. В.В.Виноградов, В.К.Котов, В.П.Пуприк Волоконно-оптические линии связи. М., Желдориздат, 2005

10. А.А. Детлаф Курс физики. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2000.

Основы теории Максвелла для электромагнитного поля

Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле ЕВ циркуляция которого: Ток смещения:

Плотность тока смещения: .

где- вектор электрического смещения Плотность тока смещения в диэлектрике: ,

где - плотность тока смещения в вакууме;

- плотность тока поляризации. Плотность полного тока: Обобщенная теорема о циркуляции вектора :

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля

Полная система уравнений Максвелла в интегральной форме:

;

Величины, входящие в уравнение Максвелла, не являются независимыми и связаны так:

Полная система уравнений Максвелла в дифференциальной форме

;

Следствия из уравнений Максвелла Свойства электромагнитных волн.

Волновое уравнение .

где - оператор Лапласа

- фазовая скорость

- скорость распространения электромагнитных волн в вакууме

Векторы колеблются в одинаковых фазах, причем:

Объемная плотность энергии электромагнитных волн?

Вектор плотности потока энергии электромагнитной волны - вектор Пойнтинга:

Фазовая и групповая скорость. Дисперсия

1. Фазовая скорость (скорость перемещения волновой поверхности монохроматической волны: , где k - волновое число. 2. Групповая скорость (скорость перемещения волнового пакета - группы волн): 3. Связь между фазовой и групповой скоростью (формула Релея):

, где закон дисперсии задан в виде зависимости фазовой скорости от длины волны ?(?).

Если закон дисперсии задан в виде зависимости показателя преломления от длины волны n(?), то ? или 4. Закон дисперсии электромагнитных волн (в модели среды, состоящей из невзаимодействующих осцилляторов):

Диэлектрическая проницаемость среды: ?(?)=1 +,

где q - заряд электрона, m - его масса, N - число осцилляторов в единице объема, - собственная частота осциллятора 5. Связь между показателем преломления среды и диэлектрической проницаемостью вещества: n = 6. Для радиоволн в ионосфере, когда дисперсия обусловлена свободными электронами: =0, и рентгеновских лучей (? закон дисперсии имеет вид:?=1-

При этом связь между фазовой и групповой скоростью: ??= 7. Глубина проникновения электромагнитных волн при распространении в среде (световодах)

? Предельный угол падения ?пр =

Входная апертура NA =

Угловая апертура: ?мах =

Примеры решения задач

Задача 1. Определите энергию, переносимую плоской синусоидальной ??электромагнитной волной, распространяющейся в вакууме, за 1 с сквозь поверхность 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. Амплитуда напряженности электрического поля волны 5 мВ/м. Период волны T=0,75 М испытывают полное внутренне отражение. Найти концентрацию свободных электронов в этой плазме.

29. Определить показатель преломления углекислого газа при нормальных условиях. Поляризуемость молекулы равна ?=3,3.10-29 м3

30. При нормальных условиях плотность газообразного водорода ? - 0,0896 кг/м3, а его показатель преломления n= 1,000138. Определить плотность жидкого водорода, если его показатель преломления nж =1,107

31. Концентрация электронов на Солнце на расстоянии r=0,06R от границы фотосферы (R=6,95.108 м - радиус Солнца) примерно равна n = 2/1014 м-3. Найти максимальную длину волн, которые могут достигать Земли из этой области Солнца

32. Исследование прохождения плоской электромагнитной волны частотой ?= 8 Гц через плоский однородный слой плазмы с концентрацией свободных электронов N = 1012 м-3 показали, что при увеличении толщины слоя d в ?= 2 раза энергетический коэффициент пропускания ? изменяется в k =10 раз. Пренебрегая отражением волны на границах, найти толщину d слоя плазмы.

33. Найти зависимость фазовой ?(?) и групповой u(?) скоростей от длины волны для закона дисперсии (для гравитационных волн на глубокой воде, g - ускорение свободного падения)

34. Найти зависимость фазовой ?(?) и групповой u(?) скоростей от длины волны для закона дисперсии (для капиллярных волн, ? - коэффициент поверхностного натяжения, ? - плотность жидкости)

35. Найти зависимость фазовой ?(?) и групповой u(?) скоростей от длины волны для закона дисперсии (для волн де Бройля, h -постоянная Планка, m - масса частицы)

36. Найти групповую скорость u рентгеновского излучения в среде, если предельный угол полного внутреннего отражения для границы "среда - воздух" равен ?.

37. Световой луч распространяется параллельно поверхности Земли. Считая воздух неподвижным, найти отклонение луча ?h на пути 1 км, если давление воздуха р0 , температура Т=300 К, а коэффициент преломления воздуха в этих условиях n =1 +3.10-4

38. Показатель преломления некоторой прозрачной среды вблизи частоты изменяется по закону , где n0 =1,5, ?0 =4.1014 с-1, А=соnst, ? < ?0. Через слой такого вещества толщиной 3 см проходит короткий световой импульс, спектральный состав (?* -) которого достаточно узок: ??<<1012 c и = 0,01. Оценить время прохождения импульса

39. Вычислить групповую скорость u для закона дисперсии - волны на поверхности воды, вызываемые силой тяжести (гравитационные волны)

40. Вычислить групповую скорость u для закона дисперсии - капиллярные волны

Вопросы для самостоятельной проработки

1. Какие положения лежат в основе теории электромагнитного поля Максвелла?

2. Сформулируйте понятие вихревого электрического поля и объясните смысл первого уравнения Максвелла

3. Сформулируйте понятие тока смещения и объясните смысл второго уравнения Максвелла.

4. Сформулируйте теорему Гаусса для электрического и магнитного полей и объясните физический смысл.

5. В чем состоит явление дисперсии электромагнитных волн, сформулируйте понятия фазовой и волновой скоростей.

6. Напишите и объясните дифференциальное уравнение электромагнитной волны.

7. Дайте формулировки основных характеристик электромагнитного поля полей, поясните как они взаимосвязаны .

8. Напишите уравнения энергии и объемной плотности энергии электромагнитного поля и дайте пояснения от чего они зависят.

9. Сформулируйте основные положения электромагнитной природы света

10. Явление полного отражения. Предельный угол отражения

11. Призмы полного отражения. Световоды.

12. Основные положения электронной теория дисперсии

13. Нормальная и аномальная дисперсия

14. Каково назначение светоизлучающих диодов, из каких материалов они изготовляются?

15. Начертите структурную схему светоизлучаюшего диода и объясните физические основы их принцип работы

16. Начертите структурную схему инжекционного лазерного диода и объясните физические основы его принцип работы

17. Объясните физические основы работы фотоприемного устройства ВОЛС -полупроводникового фотодиода

18. Что характеризует нормированная частота световода и от чего она зависит?

19. Объясните суть волнового подхода к распространению света по световодам.

20. Объясните суть лучевого подхода к распространению света по световодам.

21. Что представляют собой направляемые моды по теории Максвелла? Чем определяется их число в волоконных световодах?

22. Какими физическими процессами обусловлено - затухание сигналов в световодах?

23. Что представляют собой фазовая и групповая скорость электромагнитных волн? В чем состоит релеевское рассеяние в световодах?

24. Какими физическими процессами обусловлена дисперсия в световодах?

25. В чем состоит одномодовая и многомодовая передача информации по оптическим кабелям?

26. Чем определяется критическая длина волны для одномодового волокна со ступенчатым профилем

27. От чего зависят волновое сопротивление среды и коэффициент распространения волны?

28. В чем состоят модовая и волноводная дисперсии? Что является их причиной?

29. Из каких составляющих состоит дисперсия при передаче сигнала? В чем причина дисперсии материала?

30. Как зависят дисперсионные свойства среды и время распространения светового импульса от длины волны? Что является основной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии?

Показать полностью… https://vk.com/doc6036560_437380307
Рекомендуемые документы в приложении