Физика трофимова 18 издания. Высших учебных заведений

Введение
Предмет физики и ее связь с другими науками
«Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (Ленин В. И. Поли. собр. соч. Т. 18. С. 131).
Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение в широком смысле слова - это всевозможные изменения материи - от простого перемещения до сложнейших процессов мышления. «Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как способ существования материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во Вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением» (Энгельс Ф. Диалектика природы. - К¦ Маркс, Ф. Энгельс. Соч. 2-е изд. Т. 20. С. 391).
Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой. Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть раскрыт только по мере его детального изложения. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условны. На данной стадии развития нельзя сохранить определение физики только как науки о природе.
Академик А. Ф. Иоффе (1880 - 1960; советский физик) определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. В настоящее время общепризнано, что все взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с веществом является одной из форм существования материи. Неразрывная связь поля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены по мере изучения курса.
Физика - наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Высшие и более сложные формы движения материи - предмет изучения других наук (химии, биологии и др.).
Физика тесно связана с естественными науками. Как сказал академик С. И. Вавилов (1891 - 1955; советский физик и общественный деятель), эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки. В результате образовался ряд новых смежных дисциплин, таких, как астрофизика, геофизика, физическая химия, биофизика и др.
Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь носит двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика - база для создания новых отраслей техники (электронная техника, ядерная техника и др.).
Физика тесно связана и с философией. Такие крупные открытия в области физики, как закон сохранения и превращения энергии, соотношение неопределенностей в атомной физике и др., являлись и являются ареной острой борьбы между материализмом и идеализмом. Верные философские выводы из научных открытий в области физики всегда подтверждали основные положения диалектического материализма, поэтому изучение этих открытий и их философское обобщение играют большую роль в формировании научного мировоззрения.
Бурный темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на двоякую роль курса физики во втузе", с одной стороны, это фундаментальная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна, с другой - это формирование диалектико-материалистического и научно-атеистического мировоззрения.

Единицы физических величин
Основным методом исследования в физике является опыт - основанное на практике чувственно-эмпирическое познание объективной действительности, т. е. наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и многократно воспроизводить его при повторении этих условий.
Для объяснения экспериментальных фактов выдвигаются гипотезы. Гипотеза - это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.
В результате обобщения экспериментальных фактов, а также результатов деятельности людей устанавливаются физи-
ческие законы - устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами, для чего необходимо эти величины измерять. Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помощью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах. Единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возникнут трудности при их сравнении. Поэтому целесообразно ввести систему единиц, охватывающую единицы всех физических величин и позволяющую оперировать с ними.
Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга физических величин. Эти единицы называются основными. Остальные же величины и их единицы выводятся из законов, связывающих эти величины с основными. Они называются производными.

В СССР, согласно Государственному стандарту (ГОСТ 8.417 - 81), обязательна к применению Система Интернациональная (СИ), которая строится на семи основных единицах - метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела - и двух дополнительных - радиан и стерадиан.
Метр (м) - длина пути, проходимого светом в вакууме за 1 /299 792 458 с.
Килограмм (кг) - масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа).
Секунда (с) - время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Ампер (А) - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу, равную 2 10-7 Н на каждый метр длины.
Кельвин (К) - 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Моль (моль) - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде |2С массой 0,012 кг.
Кандела (кд) - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540-1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.
Стерадиан (ср) - телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
Для установления производных единиц используют физические законы, связывающие их с основными единицами. Например, из формулы равномерного прямолинейного движения v = s/t (s - пройденный путь, i - нремя) производная единица скорости получается равной 1 м/с.
Размерность физической величины есть ее выражение в основных единицах. Исходя, например, из второго закона Ньютона, получим, что размерность силы
где М - размерность массы; L - размерность длины; Т - размерность времени.
Размерности обеих частей физических равенств должны быть одинаковыми, так как физические законы не могут зависеть от выбора единиц физических величин.
Исходя из этого можно проверять правильность полученных физических формул (например, при решении задач), а также устанавливать размерности физических величин.

Физические основы механики
Механика - часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение - это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.
Развитие механики как науки начинается с III в. до н. э., когда древнегреческий ученый Архимед (287 - 212 до н. э.) сформулировал закон равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564 - 1642) и окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном (1643 - 1727).
Механика Галилея - Ньютона называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме. Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью с, изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной А. Эйнштейном (1879 - 1955). Для описания движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики неприменимы - они заменяются законами квантовой механики.
В первой части нашего курса мы будем иметь дело с механикой Галилея - Ньютона, т. е. будем рассматривать движение макроскопических тел со скоростями, значительно меньшими скорости с. В классической механике общепринята концепция пространства и времени, разработанная И. Ньютоном и господствовавшая в естествознании на протяжении XVII - XIX вв. Механика Галилея - Ньютона рассматривает пространство и время как объективные формы существования материи, но в отрыве друг от друга и от движения материальных тел, что соответствовало уровню знаний того времени.
Так как механическое описание наглядно и привычно и с его помощью можно объяснить многие фззические явления, в XIX в. некоторые физики стали сводить все явления к механическим. Эта точка зрения соответствовала философскому механистическому материализму. Дальнейшее развитие физики показало, однако, что многие физические явления не могут быть сведены к простейшему виду движения - механическому. Механистический материализм должен был уступить место материализму диалектическому, рассматривающему более общие виды движения материи и учитывающему все разнообразие реального мира.
Механика делится на три раздела: 1) кинематику; 2) динамику; 3) статику.
Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.
Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение.
Статика изучает законы равновесия системы тел. Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому законы статики отдельно от законов динамики физика не рассматривает.

Учебное пособие (9-е издание, переработанное и дополненное, 2004 г.) состоит из семи частей, в которых изложены физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Рационально решен вопрос об объединении механических и электромагнитных колебаний. Установлена логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.
Для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕМАТИКИ.
Механика - часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение - это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Развитие механики как науки начинается с III в. до н.э., когда древнегреческий ученый Архимед (287 - 212 до н.э.) сформулирован закон равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564-1642) и окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном (1643-1727).

Механика Галилея - Ньютона называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света с в вакууме. Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью с, изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной А. Эйнштейном (1879-1955). Для описания движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики неприменимы - они заменяются законами квантовой механики.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 2
Введение 2
Предмет физики и ее связь с другими науками 2
Единицы физических величин 3
1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ 4
Глава 1 Элементы кинематики 4
§ 1. Модели в механике. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения 4
§ 2. Скорость 6
§ 3. Ускорение и его составляющие 7
§ 4. Угловая скорость и угловое ускорение 9
Глава 2 Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела 11
§ 5. Первый закон Ньютона. Масса. Сила 11
§ 6. Второй закон Ньютона 11
§ 7. Третий закон Ньютона 13
§ 8. Силы трения 13
§ 9. Закон сохранения импульса. Центр масс 14
§ 10. Уравнение движения тела переменной массы 16
Глава 3 Работа и энергия 17
§11. Энергия, работа, мощность 17
§ 12. Кинетическая и потенциальная энергии 18
§ 13. Закон сохранения энергии 20
§ 14. Графическом представление энергии 22
§ 15. Удар абсолютно упругих и неупругих тел 23
Глава 4 Механика твердого тела 27
§ 16. Момент инерции 27
§ 17. Кинетическая энергия вращения 28
§ 18. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела 28
§ 19. Момент импульса и закон то сохранения 29
§ 20. Свободные оси. Гироскоп 32
§ 21. Деформации твердого тела 34
Глава 5 Тяготение. Элементы теории поля 36
§ 22. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения 36
§ 23. Сила тяжести и вес. Невесомость 37
§ 24. Поле тяготения и то напряженность 38
§ 25. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения 38
§ 26. Космические скорости 40
§ 27. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции 40
Глава 6 Элементы механики жидкостей 44
§ 28. Давление в жидкости и газе 44
§ 29. Уравнение неразрывности 45
§ 30. Уравнение Бернулли и следствия из него 46
§ 31. Вязкость (внутреннее трение). Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей 48
§ 32. Методы определения вязкости 50
§ 33. Движение тел в жидкостях и газах 51
Глава 7 Элементы специальной (частной) теории относительности 53
§ 34. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности 53
§ 35. Постулаты специальной (частной) теории относительности 54
§ 36. Преобразования Лоренца 55
§ 37. Следствия из преобразований Лоренца 56
§ 38. Интервал между событиями 59
§ 39. Основной закон релятивистской динамики материальной точки 60
§ 40. Закон взаимосвязи массы и энергии 61
2 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 63
Глава 8 Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов 63
§ 41. Статистический и термодинамический методы. Опытные законы идеального газа 63
§ 42. Уравнение Клапейрона - Менделеева 66
§ 43. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов 67
§ 44. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения 69
§ 45. Барометрическая формула. Распределение Больцмана 71
§ 46. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул 72
§ 47. Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории 73
§ 48. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах 74
§ 48. Вакуум и методы его получения. Свойства ультраразреженных газов 76
Глава 9 Основы термодинамики 78
§ 50. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул 78
§ 51. Первое начало термодинамики 79
§ 52. Работа газа при изменении его объема 80
§ 53. Теплоемкость 81
§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам 82
§ 55. Адиабатический процесс. Политропный процесс 84
§ 56. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы 86
§ 57. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью 87
§ 58. Второе начало термодинамики 89
§ 59. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. п. д. для идеального газа 90
Задачи 92
Глава 10 Реальные газы, жидкости и твердые тела 93
§ 60. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия 93
§ 61. Уравнение Ван-дер-Ваальса 94
§ 62. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ 95
§ 63. Внутренняя энергия реального газа 97
§ 64. Эффект Джоуля - Томсона 98
§ 65. Сжижение газов 99
§ 66. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение 100
§ 67. Смачивание 102
§ 68. Давление под искривленной поверхностью жидкости 103
§ 69. Капиллярные явления 104
§ 70. Твердые тела. Моно- и поликристаллы 104
§ 71. Типы кристаллических твердых тел 105
§ 72. Дефекты в кристаллах 109
§ 73. Теплоемкость твердых тел 110
§ 74. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Аморфные тела 111
§ 75. Фазовые переходы I и П рода 113
§ 76. Диаграмма состояния. Тройная точка 114
Задачи 115
3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 116
Глава 11 Электростатика 116
§ 77. Закон сохранения электрического заряда 116
§ 78. Закон Кулона 117
§ 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля 117
§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя 119
§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме 120
§ 82. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме 122
§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля 124
§ 84. Потенциал электростатического поля 125
§ 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности 126
§ 86. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля 127
§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков 128
§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике 129
§ 88. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике 130
§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред 131
§ 91. Сегнетоэлектрики 132
§ 92. Проводники в электростатическом поле 134
§ 93. Электрическая емкость уединенного проводника 136
§ 94. Конденсаторы 136
§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля 138
Задачи 140
Глава 12 Постоянный электрический ток 141
§ 96. Электрический ток, сила и плотность тока 141
§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение 142
§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников 143
§ 99. Работа и мощность тока. Закон Джоуля - Ленца 144
§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи 145
§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей 146
Задачи 148
Глава 13 Электрические токи в металлах, вакууме и газах 148
§ 102. Элементарная классическая теория электропроводности металлов 148
§ 103. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов 149
§ 104. Работа выхода электронов из металла 151
§ 105. Эмиссионные явления и их применение 152
§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд 154
§ 107. Самостоятельный газовый разряд и его типы 155
§ 108. Плазма и ее свойства 158
Задачи 159
Глава 14 Магнитное поле 159
§ 109. Магнитное поле и его характеристики 159
§ 110. Закон Био - Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитного поля 162
§ 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов 163
§ 112. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля 164
§ 113. Магнитное поле движущегося заряда 165
§ 114. Действие магнитного поля на движущийся заряд 166
§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле 166
§ 116. Ускорители заряженных частиц 167
§ 117. Эффект Холла 169
§ 118. Циркуляция вектора В магнитного поля в вакууме 169
§ 119. Магнитные поля соленоида и тороида 171
§ 120. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В 172
§ 121. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле 172
Задачи 174
Глава 15 Электромагнитная индукция 174
§122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея) 174
§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии 175
§ 124. Вращение рамки в магнитном поле 177
§ 125. Вихревые токи (токи Фуко) 177
§ 126. Индуктивность контура. Самоиндукция 178
§ 127. Токи при размыкании и замыкании цепи 179
§ 128. Взаимная индукция 181
§ 129. Трансформаторы 182
§ 130. Энергия магнитного поля 183
Глава 16 Магнитные свойства вещества 184
§ 131. Магнитные моменты электронов и атомов 184
§ 132. Диа- и парамагнетизм 186
§ 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществе 187
§ 134. Условия на границе раздела двух магнетиков 189
§ 135. Ферромагнетики и их свойства 190
§ 136. Природа ферромагнетизма 191
Глава 17 Основы теории Максвелла для электромагнитного поля 193
§ 137. Вихревое электрическое поле 193
§ 138. Ток смещения 194
§ 139. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля 196
4 КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 198
Глава 18 Механические и электромагнитные колебания 198
§ 140. Гармонические колебания и их характеристики 198
§ 141. Механические гармонические колебания 200
§ 142. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники 201
§ 143. Свободные гармонические колебания в колебательном контуре 203
§ 144. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения 205
§ 145. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний 206
§ 146. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания 208
§ 147. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение 211
§ 148. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний (механических и электромагнитных). Резонанс 213
§ 148. Переменный ток 215
§ 150. Резонанс напряжений 217
§ 151. Резонанс токов 218
§ 152. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока 219
Глава 19 Упругие волны 221
§ 153. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны 221
§ 154. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение 222
§ 155. Принцип суперпозиции. Групповая скорость 223
§ 156. Интерференция волн 224
§ 157. Стоячие волны 225
§ 158. Звуковые волны 227
S 159. Эффект Доплере в акустике 228
§ 160. Ультразвук и его применение 229
Глава 20 Электромагнитные волны 230
§ 161. Экспериментальное получение электромагнитных волн 230
§ 162. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны 232
§ 163. Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля 233
§ 164. Излучение диполя. Применение электромагнитных волн 234
5 ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ 236
Глава 21 Элементы геометрической и электронной оптики 236
§ 165. Основные законы оптики. Полное отражение 236
§ 166. Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз 238
§ 187. Аберрации (погрешности) оптических систем 241
§ 168. Основные фотометрические величины и их единицы 242
§ 189. Элементы электронной оптики 243
Глава 22 Интерференция света 245
§ 170. Развитие представлений о природе света 245
§ 171. Когерентность и монохроматичность световых волн 248
§ 172. Интерференция света 249
§ 173. Методы наблюдения интерференции света 250
§ 174. Интерференция света в тонких пленках 252
§ 175. Применение интерференции света 254
Глава 23 Дифракция света 257
§ 176. Принцип Гюйгенса - Френеля 257
§ 177. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света 258
§ 178. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске 260
§ 178. Дифракция Фраунгофера на одной щели 261
§ 180. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке 263
§ 181. Пространственная решетка. Рассеяние света 265
§ 182. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа - Брэггов 266
§ 183. Разрешающая способность оптических приборов 267
§ 184. Понятие о голографии 268
Глава 24 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 27 0
§ 185. Дисперсия света 270
§ 186. Электронная теория дисперсии светя 271
§ 187. Поглощение (абсорбция) света 273
§ 188. Эффект Доплера 274
§ 189. Излучение Вавилова - Черенкова 275
Глава 25 Поляризация света 276
§ 190. Естественный и поляризованный свет 276
§ 191. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков 278
§ 192. Двойное лучепреломление 279
§ 193. Поляризационные призмы и поляроиды 280
§ 194. Анализ поляризованного света 282
§ 195. Искусственная оптическая анизотропия 283
§ 196. Вращение плоскости поляризации 284
Глава 26 Квантовая природа излучения 285
§ 197. Тепловое излучение и его характеристики 285
§ 188. Закон Кирхгофа 287
§ 199. Законы Стефана - Больцмана и смещения Вина 288
§ 200. Формулы Рэлея - Джинса и Планка 288
§ 201. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света 291
§ 202. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта 292
§ 203. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света 294
§ 204. Применение фотоэффекта 296
§ 205. Масса и импульс фотона. Давление света 297
§ 206. Эффект Комптона и его элементарная теория 298
§ 207. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения 299
6 ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ 300
Глава 27 Теория атома водорода по Бору 300
§ 208. Модели атома Томсона и Резерфорда 300
§ 209. Линейчатый спектр атома водорода 301
§ 210. Постулаты Бора 302
§ 211. Опыты Франка и Герца 303
§ 212. Спектр атома водорода по Бору 304
Глава 28 Элементы квантовой механики 306
§ 213. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества 306
§ 214. Некоторые свойства волн да Бройля 308
§ 215. Соотношение неопределенностей 308
§ 216. Волновая функция и ее статистический смысл 311
§ 217. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний 312
§ 218. Принцип причинности в квинтовой механике 314
§ 219. Движение свободной частицы 314
§ 220. Частице в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками» 315
§ 221. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект 317
§ 222. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике 320
Глава 29 Элементы современной физики атомов и молекул 321
§ 223. Атом водорода в квантовой механике 321
§ 224. 1s-Состояние электрона в атоме водорода 324
§ 225. Спин электрона. Спиновое квантовое число 325
§ 226. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны 326
§ 227. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям 327
§ 228. Периодическая система элементов Менделеева 328
§ 229. Рентгеновские спектры 330
§ 230. Молекулы: химические связи, понятие об энергетических уровнях 332
§ 231. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света 333
§ 232. Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучения 334
§ 233. Оптические квантовые генераторы (лазеры) 335
Глава 30 Элементы квантовой статистики 338
§ 234. Квантовая статистика. Фазовое пространство. Функция распределения 338
§ 235. Понятие о квантовой статистике Бозе - Эйнштейна и Ферми - Дирака 339
§ 236. Вырожденный электронный газ в металлах 340
§ 237. Понятие о квантовой теории теплоемкости. Фононы 341
§ 238. Выводы квантовой теории электропроводности металлов 342
§ 239. Сверхпроводимость. Понятие об эффекте Джозефсона 343
Глава 31 Элементы физики твердого тела 345
§ 240. Понятие о зонной теории твердых тел 345
§ 241. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории 346
§ 242. Собственная проводимость полупроводников 347
§ 243. Примесная проводимость полупроводников 350
§ 244. Фотопроводимость полупроводников 352
§ 245. Люминесценция твердых тел 353
§ 246. Контакт двух металлов по зонной теории 355
§ 247. Термоэлектрические явления и их применение 356
§ 248. Выпрямление на контакте металл - полупроводник 358
§ 249. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход) 360
§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) 362
7 ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 364
Глава 32 Элементы физики атомного ядра 364
§ 251. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа 364
§ 252. Дефект массы и энергия связи ядра 365
§ 253. Спин ядра и его магнитный момент 366
§ 254. Ядерные силы. Модели ядра 367
§ 255. Радиоактивное излучение и его виды 368
§ 256. Закон радиоактивного распада. Правила смещения 369
§ 257. Закономерности -распада 370
§ 258. Распад. Нейтрино 372
§ 259. Гамма-излучение и его свойства 373
§ 260. Резонансное поглощение -излучения (эффект Мёссбауэра*) 375
§ 261. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц 376
§ 262. Ядерные реакции и их основные типы 379
§ 263. Позитрон. Распад. Электронный захват 381
§ 264. Открытие нейтрона. Ядерные реакции под действием нейтронов 382
§ 265. Реакция деления ядра 383
§ 266. Цепная реакция деления 385
§ 267. Понятие о ядерной энергетике 386
§ 268. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций 388
Глава 33 Элементы физики элементарных частиц 390
§ 269. Космическое излучение 390
§ 270. Мюоны и их свойства 391
§ 271. Мезоны и их свойства 392
§ 272. Типы взаимодействий элементарных частиц 393
§ 273. Частицы и античастицы 394
§ 274. Гипероны. Странность и четность элементарных частиц 396
§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки 397
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 400
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ 402
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 413.

5-е изд., стер. - М.: 2006.- 352 с.

В книге в краткой и доступной форме изложен материал по всем разделам программы курса "Физика" - от механики до физики атомного ядра и элементарных частиц. Для студентов вузов. Полезно для повторения пройденного материала и при подготовке к экзаменам в вузах, техникумах, колледжах, школах, на подготовительных отделениях и курсах.

Формат: djvu / zip

Размер: 7 ,45 Мб

Скачать:

RGhost

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 4
Предмет физики 4
Связь физики с другими науками 5
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ 6
Механика и ее структура 6
Глава 1. Элементы кинематики 7
Модели в механике. Кинематические уравнения движения материальной точки. Траектория, длина пути, вектор перемещения. Скорость. Ускорение и его составляющие. Угловая скорость. Угловое ускорение.
Глава 2 Динамика материальной точки и поступательное движение твердого тела 14
Первый закон Ньютона. Масса. Сила. Второй и третий законы Ньютона. Закон сохранения импульса. Закон движения центра масс. Силы трения.
Глава 3. Работа и энергия 19
Работа, энергия, мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Связь между консервативной силой и потенциальной энергией. Полная энергия. Закон сохранения энергии. Графическое представление энергии. Абсолютно упругий удар. Абсолютно неупругий удар
Глава 4. Механика твердого тела 26
Момент инерции. Теорема Штейнера. Момент силы. Кинетическая энергия вращения. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Момент импульса и закон его сохранения. Деформации твердого тела. Закон Гука. Связь между деформацией и напряжением.
Глава 5. Тяготение. Элементы теории поля 32
Закон всемирного тяготения. Характеристики поля тяготения. Работа в поле тяготения. Связь между потенциалом поля тяготения и его напряженностью. Космические скорости. Силы инерции.
Глава 6. Элементы механики жидкостей 36
Давление в жидкости и газе. Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли. Некоторые применения уравнения Бернулли. Вязкость (внутреннее трение). Режимы течения жидкостей.
Глава 7. Элементы специальной теории относительности 41
Механический принцип относительности. Преобразования Галилея. Постулаты СТО. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца (1). Следствия из преобразований Лоренца (2). Интервал между событиями. Основной закон релятивистской динамики. Энергия в релятивистской динамике.
2. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 48
Глава 8. Молекулярно-кннетическая теория идеальных газов 48
Разделы физики: молекулярная физика и термодинамика. Метод исследования термодинамики. Температурные шкалы. Идеальный газ. Законы Бойля-Мари-отга, Авогадро, Дальтона. Закон Гей-Люссака. Уравнение Клапейрона-Мен¬делеева. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям. Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Средняя длина свободного пробега молекул. Некоторые опыты, подтверждающие МКТ. Явления переноса (1). Явления переноса (2).
Глава 9. Основы термодинамики 60
Внутренняя энергия. Число степеней свободы. Закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул. Первое начало термодинамики. Работа газа при изменении его объема. Теплоемкость (1). Теплоемкость (2). Применение первого начала термодинамики к изопроцессам (1). Применение первого начала термодинамики к изопроцессам (2). Адиабатный процесс. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы. Энтропия (1). Эн¬тропия (2). Второе начало термодинамики. Тепловой двигатель. Теорема Кар-но. Холодильная машина. Цикл Карно.
Глава 10. Реальные газы, жидкости и твердые тела 76
Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса (уравнение состояния реальных газов). Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ (1). Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ (2). Внутренняя энергия реального газа. Жидкости и их описание. Поверхностное натяжение жидкостей. Смачивание. Капиллярные явления. Твердые тела: кристаллические и аморфные. Моно- и поликристаллы. Кристаллографический признак кристаллов. Типы кристаллов согласно физическому признаку. Дефекты в кристаллах. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Фазовые переходы. Диаграмма состояния. Тройная точка. Анализ экспериментальной диаграммы состояния.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 94
Глава 11. Электростатика 94
Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Напряженность электростатического поля. Линии напряженности электростатического поля. Поток вектора напряженности. Принцип суперпозиции. Поле диполя. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Гаусса к расчету полей в вакууме (1). Применение теоремы Гаусса к расчету полей в вакууме (2). Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов. Принцип суперпозиции. Связь между напряженностью и потенциалом. Эквипотенциальные поверхности. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Поляризован-ность. Напряженность поля в диэлектрике. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для поля в диэлектрике. Условия на границе раздела двух диэлектриче¬ских сред. Проводники в электростатическом поле. Электроемкость. Плоский конденсатор. Соединение конденсаторов в батареи. Энергия системы зарядов и уединенного проводника. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля.
Глава 12. Постоянный электрический ток 116
Электрический ток, сила и плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС). Напряжение. Сопротивление проводников. Закон Ома для одно¬родного участка в замкнутой цепи. Работа и мощность тока. Закон Ома для неоднородного участка цепи (обобщенный закон Ома (ОЗО)). Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
Глава 13. Электрические токи в металлах, вакууме и газах 124
Природа носителей тока в металлах. Классическая теория электропроводности металлов (1). Классическая теория электропроводности металлов (2). Работа выхода электронов из металлов. Эмиссионные явления. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд. Самостоятельный газовый разряд.
Глава 14. Магнитное поле 130
Описание магнитного поля. Основные характеристики магнитного поля. Линии магнитной индукции. Принцип суперпозиции. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов. Магнит¬ная постоянная. Единицы В и Н. Магнитное поле движущегося заряда. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Движение заряженных частиц в
магнитном поле. Теорема о циркуляции вектора В. Магнитное поля соленоида и тороида. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
Глава 15. Электромагнитная индукция 142
Опыты Фарадея и следствия из них. Закон Фарадея (закон электромагнитной индукции). Правило Ленца. ЭДС индукции в неподвижных проводниках. Вра¬щение рамки в магнитном поле. Вихревые токи. Индуктивность контура. Самоиндукция. Токи при размыкании и замыкании цепи. Взаимная индукция. Трансформаторы. Энергия магнитного поля.
Глава 16. Магнитные свойства вещества 150
Магнитный момент электронов. Диа- и парамагнетики. Намагниченность. Магнитное поле в веществе. Закон полного тока для магнитного поля в веществе (теорема о циркуляции вектора В). Теорема о циркуляции вектора Н. Условия на границе раздела двух магнетиков. Ферромагнетики и их свойства.
Глава 17. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля 156
Вихревое электрическое поле. Ток смещения (1). Ток смещения (2). Уравнения Максвелла для электромагнитного поля.
4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 160
Глава 18. Механические и электромагнитные колебания 160
Колебания: свободные и гармонические. Период и частота колебаний. Метод вращающегося вектора амплитуды. Механические гармонические колебания. Гармонический осциллятор. Маятники: пружинный и математический. Физиче¬ский маятник. Свободные колебания в идеализированном колебательном контуре. Уравнение электромагнитных колебаний для идеализированного контура. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Свободные затухающие колебания и их анализ. Свободные затухающие колебания пружинного маятника. Декремент затухания. Свободные затухающие колебания в электри¬ческом колебательном контуре. Добротность колебательной системы. Вынужденные механические колебания. Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток. Ток через резистор. Переменный ток, текущий через катушку индуктивностью L. Переменный ток, текущий через конденсатор емкостью С. Цепь переменного тока, содержащая последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор. Резонанс напряжений (последователь¬ный резонанс). Резонанс токов (параллельный резонанс). Мощность, выделяе¬мая в цепи переменного тока.
Глава 19. Упругие волны 181
Волновой процесс. Продольные и поперечные волны. Гармоническая волна и ее описание. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение. Принцип суперпозиции. Групповая скорость. Интерференция волн. Стоя¬чие волны. Звуковые волны. Эффект Доплера в акустике. Получение электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Дифференциальное уравнение
электромагнитных волн. Следствия теории Максвелла. Вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойнгинга). Импульс электромагнитного поля.
5. ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ 194
Глава 20. Элементы геометрической оптики 194
Основные законы оптики. Полное отражение. Линзы, тонкие линзы, их характеристики. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. Построение изо¬бражений в линзах. Аберрации (погрешности) оптических систем. Энергетиче¬ские величины в фотометрии. Световые величины в фотометрии.
Глава 21. Интерференция света 202
Вывод законов отражения и преломления света на основе волновой теории. Когерентность и монохроматичность световых волн. Интерференция света. Неко¬торые методы наблюдения интерференции света. Расчет интерференционной картины от двух источников. Полосы равного наклона (интерференция от плоскопараллельной пластинки). Полосы равной толщины (интерференция от пластинки переменной толщины). Кольца Ньютона. Некоторые применения интерференции (1). Некоторые применения интерференции (2).
Глава 22. Дифракция света 212
Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля (1). Метод зон Френеля (2). Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на щели (1). Дифракция Фраунгофера на щели (2). Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. Дифракция на пространственной решетке. Критерий Рэлея. Разрешающая способность спектрального прибора.
Глава 23. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 221
Дисперсия света. Различия в дифракционном и призматическом спектрах. Нормальная и аномальная дисперсия. Элементарная электронная теория дисперсии. Поглощение (абсорбция) света. Эффект Доплера.
Глава 24. Поляризация света 226
Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Прохождение света через два поляризатора. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Двойное лучепреломление. Положительные и отрицательные кристаллы. Поляризационные призмы и поляроиды. Пластинка в четверть волны. Анализ поляризованного света. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости поляризации.
Глава 25. Квантовая природа излучения 236
Тепловое излучение и его характеристики. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Формулы Рэлея-Джинса и Планка. Получение из формулы Планка частных законов теплового излучения. Температуры: радиационная, цветовая, яркостная. Вольтамперная характеристика фотоэффекта. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
6. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛИТВЕРДЫХТЕЛ 246
Глава 26. Теория атома водорода по Бору 246
Модели атома Томсона и Резерфорда. Линейный спектр атома водорода. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца. Спектр атома водорода по Бору.
Глава 27. Элементы квантовой механики 251
Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Некоторые свойства волн де Бройля. Соотношение неопределенностей. Вероятностный подход к описанию микрочастиц. Описание микрочастиц с помощью волновой функции. Принцип суперпозиции. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шрединге-ра для стационарных состояний. Движение свободной частицы. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками». Потенциальный барьер прямоугольной формы. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике.
Глава 28. Элементы современной физики атомов и молекул 263
Водородоподобный атом в квантовой механике. Квантовые числа. Спектр атома водорода. ls-состояние электрона в атоме водорода. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фер-мионы и бозоны. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Сплошной (тормозной) рентгеновский спектр. Характеристический рентгеновский спектр. Закон Мозли. Молекулы: химические связи, понятие об энергетических уровнях. Молекулярные спектры. Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучение. Активные среды. Типы лазеров. Принцип работы твердотельного лазера. Газовый лазер. Свойства лазерного излучения.
Глава 29. Элементы физики твердого тела 278
Зонная теория твердых тел. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории. Собственная проводимость полупроводников. Электронная примесная проводимость (проводимость я-типа). Донорная примесная проводимость (проводимость р-типа). Фотопроводимость полупроводников. Люминесценция твердых тел. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-п-переход). Проводимость р-и-перехода. Полупроводниковые диоды. Полупро¬водниковые триоды (транзисторы).
7. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 289
Глава 30. Элементы физики атомного ядра 289
Атомные ядра и их описание. Дефект массы. Энергия связи ядра. Спин ядра и его магнитный момент. Ядерные сипы. Модели ядра. Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада. Правила смещения. Радиоактивные семейства. а-Распад. р-Распад. у-Излучение и его свойства. Приборы для регистрации радиоактивных излучений и частиц. Сцинтилляционный счетчик. Импульсная ионизационная камера. Газоразрядный счетчик. Полупроводниковый счетчик. Камера Вильсона. Диффузионная и пузырьковая камеры. Ядерные фотоэмульсии. Ядерные реакции и их классификация. Позитрон. Р+-Распад. Электронно-позитронные пары, их аннигиляция. Электронный захват. Ядерные реакции под действием нейтронов. Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Ядерные реакторы. Реакция синтеза атомных ядер.
Глава 31. Элементы физики элементарных частиц 311
Космическое излучение. Мюоны и их свойства. Мезоны и их свойства. Типы взаимодействий элементарных частиц. Описание трех групп элементарных частиц. Частицы и античастицы. Нейтрино и антинейтрино, их типы. Гипероны. Странность и четность элементарных частиц. Характеристики лептонов и адронов. Классификация элементарных частиц. Кварки.
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева 322
Основные законы и формулы 324
Предметный указатель 336

Название: Курс физики. 1990.

Пособие составлено в соответствии с программой по физике для студентов ВУЗов. Оно состоит из семи частей, в которых излагаются физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. В пособии устанавливается логическая преемственность и связь между классической и современной физикой.
Во второе издание (1-е-1985 г.) внесены изменения, приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.
Небольшой объем учебного пособия достигнут с помощью тщательного отбора и лаконичного изложения материала.
Книга состоит из семи частей. В первой части дано систематическое изложение физических основ классической механики, а также рассмотрены элементы специальной (частной) теории относительности. Вторая часть посвящена -основам молекулярной физики и термодинамики. В третьей части изучаются электростатика, постоянный электрический ток и электромагнетизм. В четвертой части, посвященной изложению колебаний и волн, механические и электромагнитные колебания рассматриваются параллельно, указываются их сходства и различия и сравниваются физические процессы, происходящие при соответствующих колебаниях. В пятой части рассмотрены элементы геометрической и электронной оптики, волновая оптика и квантовая природа излучения. Шестая часть посвящена элементам квантовой физики атомов, молекул и твердых тел. В седьмой части излагаются элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
Предмет физики и ее связь с другими науками
Единицы физических величин
1. Физические основы механики.
Глава 1. Элементы кинематики
§ 1. Модели в механике. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения
§ 2. Скорость
§ 3. Ускорение и его составляющие
§ 4. Угловая скорость и угловое ускорение
Задачи
Глава 2. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела Сила
§ 6. Второй закон Ньютона
§ 7. Третий закон Ньютона
§ 8. Силы трения
§ 9. Закон сохранения импульса. Центр масс
§ 10. Уравнение движения тела переменной массы
Задачи
Глава 3. Работа и энергия
§ 11. Энергия, работа, мощность
§ 12. Кинетическая и потенциальная энергии
§ 13. Закон сохранения энергии
§ 14. Графическое представление энергии
§ 15. Удар абсолютно упругих и неупругих тел
Задачи
Глава 4. Механика твердого тела
§ 16. Момент инерции
§ 17. Кинетическая энергия вращения
§ 18. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела.
§ 19. Момент импульса и закон его сохранения
§ 20. Свободные оси. Гироскоп
§ 21. Деформации твердого тела
Задачи
Глава 5. Тяготение. Элементы теория поля
§ 22. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения
§ 23. Сила тяжести и вес. Невесомость 48 у 24. Поле тяготения и его напряженность
§ 25. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения
§ 26. Космические скорости
§ 27. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции
Задачи
Глава 6. Элементы механики жидкостей
§ 28. Давление в жидкости и газе
§ 29. Уравнение неразрывности
§ 30. Уравнение Бернулля и следствия из него
§ 31. Вязкость (внутреннее трение). Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей
§ 32. Методы определения вязкости
§ 33. Движение тел в жидкостях и газах
Задачи
Глава 7. Элементы специальной (частной) теории относительности
§ 35. Постулаты специальной (частной) теории относительности
§ 36. Преобразования Лоренца
§ 37. Следствия из преобразований Лоренца
§ 38. Интервал между событиями
§ 39. Основной закон релятивистской динамики материальной точки
§ 40. Закон взаимосвязи массы и энергии
Задачи

Глава 8. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов
§ 41. Методы исследования. Опытные законы идеального газа
§ 42. Уравнение Клапейрона - Менделеева
§ 43. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов
§ 44. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения
§ 45. Барометрическая формула. Распределение Больцмана
§ 46. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул
§ 47. Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории
§ 48. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах
§ 49. Вакуум и методы его получения. Свойства ультраразреженных газов
Задачи
Глава 9. Основы термодинамики.
§ 50. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул
§ 51. Первое начало термодинамики
§ 52. Работа газа при изменении его объема
§ 53. Теплоемкость
§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
§ 55. Адиабатический процесс. Политропный процесс
§ 57. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью
§ 58. Второе начало термодинамики
§ 59. Тепловые двигатели и холодильные машины Цикл Карно и его КПД для идеального газа
Задачи
Глава 10. Реальные газы, жидкости и твердые тела
§ 61. Уравнение Ван-дер-Ваальса
§ 62. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ
§ 63. Внутренняя энергия реального газа
§ 64. Эффект Джоуля - Томсона
§ 65. Сжижение газов
§ 66. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение
§ 67. Смачивание
§ 68. Давление под искривленной поверхностью жидкости
§ 69. Капиллярные явления
§ 70. Твердые тела. Моно- и поликристаллы
§ 71. Типы кристаллических твердых тел
§ 72. Дефекты в кристаллах
§ 75. Фазовые переходы I и II рода
§ 76. Диаграмма состояния. Тройная точка
Задачи
3. Электричество и магнетизм
Глава 11. Электростатика
§ 77. Закон сохранения электрического заряда
§ 78. Закон Кулона
§ 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля
§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя
§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
§ 82. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме
§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля
§ 84. Потенциал электростатического поля
§ 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности
§ 86. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков
§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике
§ 89. Электрическое смешение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред
§ 91. Сегнетоэлектрики
§ 92. Проводники в электростатическом поле
§ 93. Электрическая емкость уединенного проводника
§ 94. Конденсаторы
§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля
Задачи
Глава 12. Постоянный электрический ток
§ 96. Электрический ток, сила и плотность тока
§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников
§ 99.Работа и мощность. Закон Джоуля - Ленца
§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи
§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
Задачи
Глава 13. Электрические токи в металлах, вакууме и газах
§ 104. Работа выхода электронов из металла
§ 105. Эмиссионные явления и их применение
§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд
§ 107. Самостоятельный газовый разряд и его типы
§ 108. Плазма и ее свойства
Задачи
Глава 14. Магнитное поле.
§ 109. Магнитное поле и его характеристики
§ 110. Закон Био - Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитного поля
§ 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов
§ 112. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля
§ 113. Магнитное поле движущегося заряда
§ 114. Действие магнитного поля на движущийся заряд
§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле
§ 117. Эффект Холла
§ 118. Циркуляция вектора В магнитного поля в вакууме
§ 119. Магнитные поля соленоида и тороида
§ 121. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле
Задачи
Глава 15. Электромагнитная индукция
§ 122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея
§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии
§ 125. Вихревые токи (токи Фуко
§ 126. Индуктивность контура. Самоиндукция
§ 127. Токи при размыкании и замыкании цепи
§ 128. Взаимная индукция
§ 129. Трансформаторы
§130. Энергия магнитного поля
Задачи
Глава 16. Магнитные свойства вещества
§ 131. Магнитные моменты электронов и атомов
§ 132. Дна- и парамагнетизм
§ 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществе
§ 134. Условия на границе раздела двух магнетиков
§ 135. Ферромагнетики и их свойства
§ 136. Природа ферромагнетизма
Задачи
Глава 17. Основы теории Максвелла для электромагнитного ноля
§ 137. Вихревое электрическое поле
§ 138. Ток смещения
§ 139. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
4. Колебания и волны.
Глава 18. Механические и электромагнитные колебания
§ 140. Гармонические колебания и их характеристики
§ 141. Механические гармонические колебания
§ 142. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники
§ 144. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения
§ 145. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
§ 146. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания
§ 147. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение
§ 148. Амплитуда и фаза вынужденных колебании (механических и электромагнитных). Резонанс
§ 149. Переменный ток
§ 150. Резонанс напряжений
§ 151. Резонанс токов
§ 152. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока
Задачи
Глава 19. Упругие волны.
§ 153. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны
§ 154. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение
§ 155. Принцип суперпозиции. Групповая скорость
§ 156. Интерференция волн
§ 157. Стоячие волны
§ 158. Звуковые волны
§ 159. Эффект Доплера в акустике
§ 160. Ультразвук и его применение
Задачи
Глава 20. Электромагнитные волны.
§ 161. Экспериментальное получение электромагнитных волн
§ 162. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны
§ 163. Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля
§ 164. Излучение диполя. Применение электромагнитных волн
Задачи
5. Оптика. Квантовая природа излучения.
Глава 21. Элементы геометрической и электронной оптики.
§ 165. Основные законы оптики. Полное отражение
§ 166. Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз
§ 167. Аберрации (погрешности) оптических систем
§ 168. Основные фотометрические величины и их единицы
Задачи
Глава 22. Интерференция света
§ 170. Развитие представлений о природе света
§ 171. Когерентность и монохроматичность световых волн
§ 172. Интерференция света
§ 173. Методы наблюдения интерференции света
§ 174. Интерференция света в тонких пленках
§ 175. Применение интерференции света
Глава 23. Дифракция света
§ 177. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света
§ 178. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске
§ 179. Дифракция Фраунгофера на одной щели
§ 180. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке
§ 181. Пространственная решетка. Рассеяние света
§ 182. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа - Брэггов
§ 183. Разрешающая способность оптических приборов
§ 184. Понятие о голографии
Задачи
Глава 24. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом.
§ 185. Дисперсия света
§ 186. Электронная теория дисперсии света
§ 188. Эффект Доплера
§ 189. Излучение Вавилова - Черенкова
Задачи
Глава 25. Поляризация света
§ 190. Естественный и поляризованный свет
§ 191. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
§ 192. Двойное лучепреломление
§ 193. Поляризационные призмы и поляроиды
§ 194. Анализ поляризованного света
§ 195. Искусственная оптическая анизотропия
§ 196. Вращение плоскости поляризации
Задачи
Глава 26. Квантовая природа излучения.
§ 197. Тепловое излучение и его характеристики.
§ 198. Закон Кирхгофа
§ 199. Законы Стефана - Больцмана и смещения Вина
§ 200. Формулы Релея-Джинса и Планка.
§ 201. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света
§ 203. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света
§ 204. Применение фотоэффекта
§ 205. Масса и импульс фотона. Давление света
§ 206. Эффект Комптона и его элементарная теория
§ 207. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения
Задачи
6. Элементы квантовой физики
Глава 27. Теория атома водорода по Бору.
§ 208. Модели атома Томсона и Резерфорда
§ 209. Линейчатый спектр атома водорода
§ 210. Постулаты Бора
§ 211. Опыты Франка в Герца
§ 212. Спектр атома водорода по Бору
Задачи
Глава 28. Элементы квантовой механики
§ 213. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества
§ 214. Некоторые свойства волн де Бройля
§ 215. Соотношение неопределенностей
§ 216. Волновая функция и ее статистический смысл
§ 217. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний
§ 218. Принцип причинности в квантовой механике
§ 219. Движение свободной частицы
§ 222. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике
Задачи
Глава 29. Элементы современной физики атомов t молекул
§ 223. Атом водорода в квантовой механике
§ 224. Ь-сосгояние электрона в атоме водорода
§ 225. Спин электрона. Спиновое квантовое число
§ 226. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны
Менделеева
§ 229. Рентгеновские спектры
§ 231. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света
§ 232. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения
(лазеры
Задачи
Глава 30. Элементы квантовой статистики
§ 234. Квантовая статистика. Фазовое пространство. Функция распределения
§ 235. Понятие о квантовой статистике Бозе - Эйнштейна и Ферми - Дирака
§ 236. Вырожденный электронный газ в металлах
§ 237. Понятие о квантовой теории теплоемкости. Фонолы
§ 238. Выводы квантовой теории электропроводности металлов эффекте Джозефсоаа
Задачи
Глава 31. Элементы физики твердого тела
§ 240. Понятие о зонной теории твердых тел
§ 241. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории
§ 242. Собственная проводимость полупроводников
§ 243. Примесная проводимость полупроводников
§ 244. Фотопроводимость полупроводников
§ 245. Люминесценция твердых тел
§ 246. Контакт двух металлов по зонной теории
§ 247. Термоэлектрические явления и их применение
§ 248. Выпрямление на контакте металл-полупроводник
§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы
Задачи
7. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.
Глава 32. Элементы физики атомного ядра.
§ 252. Дефект массы и энергия связи, ядра
§ 253. Спин ядра и его магнитный момент
§ 254. Ядерные силы. Модели ядра
§ 255. Радиоактивное излучение и его виды Правила смещения
§ 257. Закономерности а-распада
§ 259. Гамма-излучение и его свойства
§ 260. Резонансное поглощение у-излучения (эффект Мёссбауэра)
§ 261. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц
§ 262. Ядерные реакции и их основные типы
§ 263. Позитрон. Распад. Электронный захват
§ 265. Реакция деления ядра
§ 266. Цепная реакция деления
§ 267. Понятие о ядерной энергетике
§ 268. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций
Задачи
Глава 33. Элементы физики элементарных частиц
§ 269. Космическое излучение
§ 270. Мюоны и их свойства
§ 271. Мезоны и их свойства
§ 272. Типы взаимодействий элементарных частиц
§ 273. Частицы и античастицы
§ 274. Гипероны. Странность и четность элементарных частиц
§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки
Задачи
Основные законы и формулы
1. Физические основы механики
2. Основы молекулярной физики и термодинамики
4. Колебания и волны
5. Оптика. Квантовая природа излучения
6. Элементы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел
7. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
Предметный указатель

Рецензент: профессор кафедры физики имени А. М. Фабриканта Московского энергетического института (технического университета) В. А. Касьянов

ISBN 5-06-003634-0  ГУП «Издательство «Высшая школа», 2001

Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запреща­ется.

Предисловие

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений и предназ­начено для студентов высших технических учебных заведений дневной формы обучения с ограниченным числом часов по физике, с возможностью его использования на вечерней и заочной формах обучения.

Небольшой объем учебного пособия достигнут с помощью тщательного отбора и лаконичного изложения материала.

Книга состоит из семи частей. В первой части дано систематическое изложение физических основ классической механики, а также рассмотрены элементы специальной (частной) теории относительности. Вторая часть посвящена основам молекулярной физики и термодинамики. В третьей части изучаются электростатика, постоянный электрический ток и электромагнетизм. В четвертой части, посвященной изложению теории колебаний и воли, механические и электромагнитные колебания рассматрива­ются параллельно, указываются их сходства и различия и сравниваются физические процессы, происходящие при соответствующих колебаниях. В пятой части рассмо­трены элементы геометрической и электронной оптики, волновая оптика и квантовая природа излучения. Шестая часть посвящена элементам квантовой физики атомов, молекул и твердых тел. В седьмой части излагаются элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.

Изложение материала ведется без громоздких математических выкладок, должное внимание обращается на физическую суть явлений и описывающих их понятий и зако­нов, а также на преемственность современной и классической физики. Все биографичес­кие данные приведены по книге Ю. А. Храмова «Физики» (М.: Наука, 1983).

Для обозначения векторных величин на всех рисунках и в тексте использован полужирный шрифт, за исключением величин, обозначенных греческими буквами, которые по техническим причинам набраны в тексте светлым шрифтом со стрелкой.

Автор выражает глубокую признательность коллегам и читателям, чьи доброжела­тельные замечания и пожелания способствовали улучшению книги. Я особенно призна­тельна профессору Касьянову В. А. за рецензирование пособия и сделанные им замечания.

Введение

Предмет физики и ее связь с другими науками

Окружающий вас мир, все существующее вокруг вас и обнаруживаемое нами посред­ством ощущений представляет собой материю.

Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение в широком смысле слова - это всевозможные изменения материи - от простого перемещения до сложнейших процессов мышления.

Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой. Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть раскрыт только по мере его детального изложения. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условны. На данной стадии развития нельзя сохранить определение физики только как науки о природе.

Академик А. Ф. Иоффе (1880-1960; российский физик)* определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. В настоящее время общепризнано, что вес взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с ве­ществом является одной из форм существования материи. Неразрывная связь поля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены по мере изучения курса.

*Все данные приведены по биографическому справочнику Ю. А. Храмова «Физики» (М.: Наука, 1983).

Физика - наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Высшие и более сложные формы движения материи - предмет изучения других наук (химии, биологии и др.).

Физика тесно связана с естественными науками. Эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания, как отмечал академик С. И. Вавилов (1891-1955; российский физик и общественный деятель), привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки. В результате образовался ряд новых смежных дисциплин, таких, как астрофизика, биофизика и др.

Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь имеет двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (напри­мер, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика - база для создания новых отраслей тех­ники (электронная техника, ядерная техника и др.).

Бурный темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на значи­тельную роль курса физики во втузе: это фундаментальная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна.

Единицы физических величин

Основным методом исследования в физике является опит - основанное на практике чувственно-эмпирическое познание объективной действительности, т. е. наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и многократно воспроизводить его при повторении этих условий.

Для объяснения экспериментальных фактов выдвигаются гипотезы. Гипотеза - это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

В результате обобщения экспериментальных фактов, а также результатов деятель­ности людей устанавливаются физические законы - устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами, для чего необходимо эти вели­чины измерять. Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помо­щью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах. Единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возник­нут трудности при их сравнении. Поэтому целесообразно ввести систему единиц, охватывающую единицы всех физических величин.

Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга физических величии. Эти единицы называются основными. Остальные же величины и их единицы выводятся из законов, связывающих эти величины и их единицы с основными. Они называются производными.

В настоящее время обязательна к применению в научной, а также в учебной литературе Система Интернациональная (СИ), которая строится на семи основных единицах - метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела - и двух допол­нительных - радиан и стерадиан.

Метр (м) - длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 с.

Килограмм (кг) - масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа).

Секунда (с) - время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер (А) - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создаст между этими проводниками силу, равную 210 – 7 Н на каждый метр длины.

Кельвин (К) - 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль (моль) - количество вещества системы, содержащей столько же структур­ных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде 12 С массой 0,012 кг.

Кандела (кд) - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54010 12 Гц, энергетическая сила света кото­рого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан (ср) - телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Для установления производных единиц используют физические законы, связыва­ющие их с основными единицами. Например, из формулы равномерного прямолиней­ного движения v = s / t (s – пройденный путь, t - время) производная единица скорости получается равной 1 м/с.

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

Глава 1 Элементы кинематики

§ 1. Модели в механике. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения

Механика - часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движе­ние - это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Развитие механики как науки начинается с III в. до н. э., когда древнегреческий ученый Архимед (287-212 до н. э.) сформулировал закон равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564-1642) н окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном (1643-1727).

Механика Галилея-Ньютона называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света с в вакууме. Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью с, изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной А. Эйнштейном (1879-1955). Для описания движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики неприменимы - они заменяются законами китовой механики.

В первой части нашего курса мы будем изучать механику Галилея-Ньютона, т.е. рассматривать движение макроскопических тел со скоростями, значительно меньшими скорости с. В классической механике общепринята концепция пространства и времени, разработанная И. Ньютоном и господствовавшая в естествознании на протяжении XVII-XIX вв. Механика Галилея-Ньютона рассматривает пространство и время как объективные формы существования материи, но в отрыве друг от друга и от движения материальных тел, что соответствовало уровню знаний того времени.

Механика делится на три раздела: I) кинематику; 2) динамику; 3) статику.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.

Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменя­ют это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел. Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому законы статики отдельно от законов динамики физика не рассматривает.

Механика для описания движения тел в зависимости от условий конкретных задач использует разные физические модели. Простейшей моделью является материальная точка - тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Понятие материальной точки - абстрактное, но его введение облегчает решение практических задач. Например, изучая движение планет по орбитам вокруг Солнца, можно принять их за материальные точки.

Произвольное макроскопическое тело или систему тел можно мысленно разбить на малые взаимодействующие между собой части, каждая из которых рассматривается как материальная точка. Тогда изучение движения произвольной системы тел сводится к изучению системы материальных точек. В механике сначала изучают движение одной материальной точки, а затем переходят к изучению движения системы материальных точек.

Под воздействием тел друг на друга тела могут деформироваться, т. е. изменять свою форму и размеры. Поэтому в механике вводится еще одна модель - абсолютно твердое тело. Абсолютно твердым телом называется тело, которое ни при каких условиях не может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками (или точнее между двумя частицами) этого тела остается постоянным.

Любое движение твердого тела можно представить как комбинацию поступатель­ного и вращательного движений. Поступательное движение - это движение, при кото­ром любая прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллельной своему первоначальному положению. Вращательное движение - это движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения.

Движение тел происходит в пространстве и во времени. Поэтому для описания движения материальной точки надо знать, в каких местах пространства эта точка находилась и в какие моменты времени она проходила то или иное положение.

Положение материальной точки определяется по отношению к какому-либо друго­му, произвольно выбранному телу, называемому телом отсчета. С ним связывается система отсчета - совокупность системы координат и часов, связанных с телом от­счета. В декартовой системе координат, используемой наиболее часто, положение точки А в данный момент времени по отношению к этой системе характеризуется тремя координатами x , y и z или радиусом-вектором r , проведенным из начала системы координат в данную точку (рис. 1).

При движении материальной точки ее координаты с течением времени изменяются. В общем случае ее движение определяется скалярными уравнениями

x = x(t), у = y(t), z = z(t), (1.1)

эквивалентными векторному уравнению

r = r (t ). (1.2)

Уравнения (1.1) и соответственно (1.2) называются кинематическими уравнениями дви­жения материальной точки.

Число независимых координат, полностью определяющих положение точки в про­странстве, называется числом степеней свободы . Если материальная точка свободно движется в пространстве, то, как уже было сказано, она обладает тремя степенями свободы (координаты х, у и z ), если она движется по некоторой поверхности, то двумя степенями свободы, если вдоль некоторой линии, то одной степенью свободы.

Исключая t в уравнениях (1.1) и (1.2), получим уравнение траектории движения материальной точки. Траектория движения материальной точки - линия, описыва­емая этой точкой в пространстве. В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным или криволинейным.

Рассмотрим движение материальной точки вдоль произвольной траектории (рис. 2). Отсчет времени начнем с момента, когда точка находилась в положении А. Длина участка траектории АВ, пройденного материальной точкой с момента начала отсчета времени, называется длиной пути s и является скалярной функцией времени: s = s (t ) . Вектор r = r -r 0 , проведенный из начального положения движущейся точки в положение ее в данный момент времени (приращение радиуса-вектора точки за рассматриваемый промежуток времени), называется перемещением .

При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с соответствующим участком траектории и модуль перемещения |r | равен пройденному пути s .

§ 2. Скорость

Для характеристики движения материальной точки вводится векторная величина - скорость, которой определяется как быстрота движения, так и его направ­ление в данный момент времени.

Пусть материальная точка движется по какой-либо криволинейной траектории так, что в момент времени t ей соответствует радиус-вектор r 0 (рис. 3). В течение малого промежутка времени t точка пройдет путь s и получит элементарное (бесконечно малое) перемещение r.

Вектором средней скорости называется отношение приращения r радиу­са-вектора точки к промежутку времени t :

(2.1)

Направление вектора средней скорости совпадает с направлением r. При неог­раниченном уменьшении t средняя скорость стремится к предельному значению, которое называется мгновенной скоростью v:

Мгновенная скорость v, таким образом, есть векторная величина, равная первой производной радиуса-вектора движущейся точки по времени. Так как секущая в пре­деле совпадает с касательной, то вектор скорости v направлен по касательной к траек­тории в сторону движения (рис. 3). По мере уменьшения t путь s все больше будет приближаться к |r|, поэтому модуль мгновенной скорости

Таким образом, модуль мгновенной скорости равен первой производной пути по времени:

(2.2)

При неравномерном движении - модуль мгновенной скорости с течением времени изменяется. В данном случае пользуются скалярной величиной v  - средней скоро­стью неравномерного движения:

Из рис. 3 вытекает, что v > |v|, так как s > |r|, и только в случае прямолиней­ного движения

Если выражение ds = v dt (см. формулу (2.2)) проинтегрировать по времени в пре­делах от t до t + t , то найдем длину пути, пройденного точкой за время t :

(2.3)

В случае равномерного движения числовое значение мгновенной скорости постоянно; тогда выражение (2.3) примет вид

Длина пути, пройденного точкой за промежуток времени от t 1 до t 2 , дается интегралом

§ 3. Ускорение и его составляющие

В случае неравномерного движения важно знать, как быстро изменяется скорость с течением времени. Физической величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению, является ускорение .

Рассмотрим плоское движение, т.е. движение, при котором все участки траектории точки лежат в одной плоскости. Пусть вектор v задает скорость точки А в момент времени t . За время t движущаяся точка перешла в положение В и приобрела скорость, отличную от v как по модулю, так и направлению и равную v 1 = v + v. Перенесем вектор v 1 в точку А и найдем v (рис. 4).

Средним ускорением неравномерного движения в интервале от t до t + t называется векторная величина, равная отношению изменения скорости v к интервалу вре­мени t

Мгновенным ускорением а (ускорением) материальной точки в момент време­ни t будет предел среднего ускорения:

Таким образом, ускорение a есть векторная величина, равная первой производной скорости по времени.

Разложим вектор v на две составляющие. Для этого из точки А (рис. 4) по направлению скорости v отложим вектор
, по модулю равный v 1 . Очевидно, что вектор
, равный
, определяет изменение скорости за время t по моду­лю :
. Вторая же составляющая
вектора v характеризует изменение ско­рости за время t по направлению.

Тангенциальная составляющая ускорения

т. е. равна первой производной по времени от модуля скорости, определяя тем самым быстроту изменения скорости по модулю.

Найдем вторую составляющую ускорения. Допустим, что точка В достаточно близка к точке А, поэтому s можно считать дугой окружности некоторого радиуса r, мало отличающейся от хорды АВ. Тогда из подобия треугольников АОВ и EAD следует v n /AB = v 1 /r, но так как AB = v t , то

В пределе при
получим
.

Поскольку , угол EAD стремится к нулю, а так как треугольник EAD равнобед­ренный, то угол ADE между v и v n стремится к прямому. Следовательно, при векторы v n и v оказываются взаимно перпендикулярными. Tax как вектор скорости направлен по касательной к траектории, то вектор v n , перпендикулярный вектору скорости, направлен к центру ее кривизны. Вторая составляющая ускорения, равная

называется нормальной составляющей ускорения и направлена по нормали к траектории к центру ее кривизны (поэтому ее называют также центростремительным ускорением ).

Полное ускорение тела есть геометрическая сумма тангенциальной и нормальной составляющих (рис.5):

Итак, тангенциальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по модулю (направлена по касательной к траектории), а нормальная состав­ляющая ускорения - быстроту изменения скорости по направлению (направлена к цен­тру кривизны траектории).

В зависимости от тангенциальной и нормальной составляющих ускорения движе­ние можно классифицировать следующим образом:

1)
, а n = 0 - прямолинейное равномерное движение;

2)
, а n = 0 - прямолинейное равнопеременное движение. При таком виде движения

Если начальный момент времени t 1 =0, а начальная скорость v =v Т. И. Курс физики : [учебное пособие для инженерно-технических...

Методическое указание №1 для студентов 1 курса медико-биологического факультета семестр №1

Документ

... (2.1м; l=10м; 1.3с) Литература: Трофимова Т.И. Курс физики : Учеб. пособие для вузов.-18 ... скорости. (0.43) Литература: Трофимова Т.И. Курс физики : Учеб. пособие для вузов.- ... при ударе. () Литература: Трофимова Т.И. Курс физики : Учеб. пособие для вузов.- ...