Т.И. Трофимова

КУРС

ФИЗИКИ

Издание седьмое, стереотипное

Р ЕКОМЕНДОВАНО М ИНИСТЕРСТВОМ ОБРАЗОВАНИЯ

Р ОССИЙСКОЙ Ф ЕДЕРАЦИИ В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ

ДЛЯ ИНЖЕНЕРНО - ТЕХНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

ВЫСШАЯ ШКОЛА

2003

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

ISBN 5-06-003634-0

ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2003

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 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.

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

Окружающей вас мир, все существующее вокруг нас 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 все взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с веществом является одной из форм существования материн. 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. 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.

Е ДИНИЦЫ 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 физические законы - устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами, для чего необходимо эти вели чины 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 возник нут 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 величин. 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 9 192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер (А) - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двук параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малоп 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 точи 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" Ю 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 из 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 прямо линейного движения v=st (s - пройденный путь, t - время) производная единица скорости получается равной 1 м/с.

11-е изд., стер. - М.: 2006.- 560 с.

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.

Формат: pdf / zip (11- е изд., 2006, 560с.)

Размер: 6 Мб

Скачать:

RGhost

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

2. Основы молекулярной физики и термодинамики
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
дачи
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

11-е изд., стер. - М.: 2006.- 560 с.

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.

Формат: pdf / zip (11- е изд., 2006, 560с.)

Размер: 6 Мб

Скачать:

RGhost

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

2. Основы молекулярной физики и термодинамики
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
дачи
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.- ...