close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Физика учебник

код для вставкиСкачать
Высшее образование
В.Б. Федосеев
ФИ З И К А
Учебник
Учебник для студентов высших учебных заведений
соответствует Государственному образовательному
стандарту, утвержденному Министерством образования
Российской Федерации
Ростов!на!Дону
«Феникс»
2009
www.phoenixbooks.ru
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
КТК 13
Ф33
Федосеев В.Б.
Ф33 Физика : учебник / В.Б. Федосеев. — Рос!
тов н/Д: Феникс, 2009. — 669 с. — (Высшее образо!
вание).
ISВN 978!5!222!14983!6
Учебник адаптирован для студентов всех техничес!
ких вузов. Материал учебника может использоваться
студентами при изучении теоретического курса физики
и для подготовки к практическим и лабораторным заня!
тиям. Книга станет незаменимым помощником при сда!
че экзамена и зачета по курсу физики.
Учебник подготовлен в соответствии с государствен!
ным образовательным стандартом и отвечает всем требо!
ваниям современного образовательного процесса.
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
© Федосеев В.Б., 2008
© ООО «Феникс», оформление, 2008
ISВN 978!5!222!14983!6
www.phoenixbooks.ru
ВВЕДЕНИЕ
В переводе с греческого «физика» — это природа. Фи!
зика так же, как и другие естественные науки, занима!
ется изучением свойств окружающего нас мира.
Физика есть наука о наиболее общих свойствах и
формах движения материи.
Вспомним теперь, что такое материя, как это понятие
определяется в диалектическом материализме.
«Материя есть философская категория для обозначения
объективной реальности, которая дана человеку в ощуще!
ниях его, которая копируется, фотографируется, отобража!
ется нашими ощущениями, существуя независимо от них»
(В.И. Ленин, т. 18, ПСС).
В этом определении суть материалистического подхо!
да к окружающему нас миру:
1) независимость существования материи по отноше!
нию к субъекту, его сознанию;
2) материя в принципе познаваема, поскольку она ко!
пируется, ощущается, отображается в нашем сознании.
Итак, физика — наука о формах движения материи.
Материя — это то, что дано нам в ощущениях.
Исходя из многовекового опыта человечества, в на!
стоящее время принято считать, что материя существу!
ет в двух формах:
✓ в форме вещества (мы ощущаем стол, стулья, зем!
лю, траву и т.д.);
✓ в форме поля (э/м поле — свет, гравитационное
поле — тяжесть и т.д.).
Причем эти формы материи могут превращаться друг
в друга (например, реакция аннигиляции).
Следовательно, мы определяем понятие физики через
понятия материи и движения. Понятие материи мы в
общем случае расшифровали, остановимся теперь на по!
нятии движения.
В диалектическом материализме под движением по!
нимают всякое изменение вообще. Движение является
неотъемлемым свойством материи. Оно несотворимо и
неуничтожимо как сама материя.
Материя существует и движется в пространстве и во
времени, которые являются формами бытия материи.
www.phoenixbooks.ru
4
• Ôèçèêà
При этом не следует думать, что существует само по себе
пространство (абсолютное) и некоторое течение времени
(абсолютное), где может двигаться, а может и не дви!
гаться и не находиться материя.
Пространство и время неотделимы от материи и не
существует пространства само по себе и времени само по
себе в отрыве от материи, также как материя не может
не двигаться.
К понятию пространства и времени также приводит
многовековой опыт человечества. При этом эти понятия
столь глубоко укоренились в нашем сознании, что неко!
торые философы считали их формами сознания, а не от!
ражением в сознании элементов внешнего мира.
В древности существовало, в частности, два течения
философской мысли. Одно — идеалистическое — при!
держивалось представлений о независимости простран!
ства от материальных тел. Ярким примером такого на!
правления являлась так называемая «пифагорейская»
школа (V в. до н. э.).
«Пространство есть первое из бытий, нечто отличное от
тел и независимое от них. Его особенность в том, что все
вещи находятся в нем, но само оно не находится ни в чем.
Оно независимо от тел, но тела зависят от него, оно мешает
объемам тел возрастать и убывать бесконечно» (Архип Те!
ренский, IV в. до н.э.).
Заслугой пифагорейцев является внедрение матема!
тики в естествознание, догадка о гелиоцентрическом
строении Вселенной. Но от пифагорейцев, в соответ!
ствии с их идеалистическими воззрениями, ведут свое
происхождение символизм и мистика чисел, приводя!
щие к антинаучным высказываниям и в наши дни.
Сохранилось предание, что открытие несоизмеримости
диагонали квадрата с его стороной Пифагор воспринял как
начало хаоса и приказал ученикам хранить это открытие в
тайне.
По!другому считала школа Платона (V в. до н. э.).
Они не допускали внутри Вселенной пустоты, как нечто
отличного от тел, однако допускали пустоту вне Вселен!
ной, считая, что ограниченная сферическая Вселенная
находится в пустом пространстве.
Итак, мы видим, что уже с глубокой древности чело!
вечество задумывалось над понятиями пространства и
www.phoenixbooks.ru
Ââåäåíèå •
5
времени. И все!таки пришло к правильному (тожде!
ственному нашему, современному) понятию. В наиболее
концентрированном виде это выражено у римского по!
эта Тита Лукреция Кара (I в. до н. э.).
«Также и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось,
Что происходит теперь и что воспоследует позже.
И неизбежно признать, что никем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя».
Однако в Средние века это было забыто. Так, в част!
ности, Ньютон сделал попытку в своих трудах ввести в
науку понятие абсолютного времени. Он писал:
«Абсолютное, истинное математическое время само по
себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему
либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется
длительностью».
Сегодня мы считаем, что ближе к пониманию приро!
ды времени были древнегреческие философы!материа!
листы, чем Ньютон. Абсолютное время может существо!
вать лишь в воображении людей.
Уже на этом коротком историческом примере можно
подметить пути развития физики, да и любой естествен!
ной науки.
Вначале мы наблюдаем какое!то явление. Затем со!
здаем гипотезу о механизме этого явления. Следующий
этап — экспериментально проверяем следствия из этой
гипотезы и если нет ни одного экспериментального фак!
та, противоречащего этой гипотезе, гипотеза становится
физической теорией.
Но на этом дело не оканчивается. Общество, наука,
техника не стоят на месте, а непрерывно развиваются.
По мере этого развития накапливаются факты, не укла!
дывающиеся в рамки теории и требующие выдвижения
новых гипотез, которые со временем могут стать новы!
ми физическими теориями.
Новая теория не отрицает старую (ведь нельзя же от!
рицать опыт человечества, на котором зиждется старая
теория), а включает ее в себя как часть, т.е. является бо!
лее широкой и всеохватывающей.
Этот принцип построения новых теорий — принцип
соответствия — был сформулирован Н. Бором.
www.phoenixbooks.ru
6
• Ôèçèêà
Именно таким путем — по непрерывной восходящей
спирали — идет развитие науки.
Итак, мы определили содержание предмета физики и
пути ее развития. Посмотрим теперь, как соотносится фи!
зика с другими науками. Какое место она занимает и ка!
кую роль она играет в единой науке изучения Природы.
Химия
Химия испытывает на себе влияние физики сильней,
чем любая другая наука. Когда!то химия почти целиком сво!
дилась к тому, что мы сейчас называем неорганической хи!
мией. В наше время неорганическая химия как наука све!
лась в основном к физической и квантовой химии. Первая
изучает скорости реакций и прочие их детали, а вторая по!
могает понять происходящее на языке физических законов.
Многое из физической химии и квантовой механики
приложимо и к органической химии. Однако главная зада!
ча органической химии — в анализе и синтезе веществ, об!
разуемых в биологических системах, в живых телах.
Биология
В биологии живых организмов очень много чисто физи!
ческих явлений: циркуляция крови, нервное возбуждение,
зрение, слух. И здесь очень широкое поле деятельности для
физики, и физика в этом смысле очень многое сделала для
биологии. Однако все эти вопросы, которые стоят перед
биологией, не являются для нее главными. Если даже мы
их поймем, нам все равно не понять сущность жизни. На!
пример, нервы для жизни нужны, но жить без нервов воз!
можно (растения).
Астрономия
Физика возникла из астрономии, когда астрономия за!
метила поразительную простоту движения звезд и планет.
Объяснение этой простоты и стало началом физики. И сей!
час на вооружении астрономии стоят методы и эксперимен!
тальная база физики.
Геология
Вся геология снабжена приборами благодаря развитию
экспериментальной физики. В теоретической геологии
главное препятствие — турбулентный характер движения
на Земле. Со своей планетой мы справляемся гораздо хуже,
чем с состоянием вещества в звездах. Необходимый для
этого математический аппарат не разработан. Он, по!види!
мому, чрезвычайно сложен. Здесь существует один старый
вопрос, который возник свыше ста лет назад, не был ре!
шен, был отставлен наукой в сторону и до сих пор остается
открытым.
www.phoenixbooks.ru
Ââåäåíèå •
7
Этот вопрос — анализ вихревой жидкости. Простейшая
постановка вопроса такова. Пропустим через очень длин!
ную трубку на большой скорости воду. Спрашивается: ка!
кое нужно давление, чтобы прогнать через трубку данное
количество воды.
И никто, основываясь только на первичных законах и
на свойствах самой воды, не может ответить на этот вопрос.
Математика
Математика играет исключительно важную роль в фи!
зике. Без нее современная физика немыслима.
Чистая математика имеет дело с абстрактными поняти!
ями и объектами, подчиняющимися определенной системе
аксиом. Единственное требование состоит в их логической
непротиворечивости. В этом смысле чистая математика яв!
ляется логически замкнутой дисциплиной.
Однако строго замкнутая сама в себе математика оторва!
на от реальной действительности. Чтобы использовать мате!
матику в естественных науках, нужно математическим абст!
ракциям поставить в соответствие реальные объекты.
Одной математической строгости не достаточно для фи!
зики, как и для всякой другой опытной науки, имеющей
дело с реальными объектами и явлениями природы. Всякое
теоретическое исследование, даже выполненное математи!
чески строго, никогда не может считаться и физически стро!
гим. Во!первых, такие исследования всегда основываются
на определенных законах, справедливость которых доказы!
вается опытным путем, а опыты и физические измерения не!
изменно сопровождаются ошибками, т.е. выполняются с оп!
ределенной точностью. Вне пределов этой точности
физический закон может оказаться неверным. Во!вторых,
всякий реальный физический объект характеризуется бес!
конечным разнообразием свойств. Учесть все эти свойства
невозможно не только потому, что большинство из них нам
просто неизвестны, но и потому, что это практически нео!
существимо.
При построении теории физика заменяет реальные объек!
ты их идеализированными моделями, приблизительно пра!
вильно передающими не все свойства реальных объектов, а
только те из них, которые существенны в рассматриваемом
круге вопросов. Какие свойства реальных объектов суще!
ственны, а какие не играют заметной роли — на этот воп!
рос ответить может только опыт, которому принадлежит
решающее слово в вопросе о правильности всякой физичес!
кой теории и пределах ее применимости.
После того, как идеализированная модель построена,
можно производить дальнейшие расчеты со всей математи!
ческой строгостью. Однако обычно такие расчеты очень гро!
моздки и практически неосуществимы из!за их сложности.
www.phoenixbooks.ru
8
• Ôèçèêà
Кроме того, погоня за точностью уже обесценена ошибками
физических законов и несовершенством идеализированной
модели, взятой за основу расчетов. Нужно переходить к
приближенным расчетам.
Многие понятия и открытия в математике не имеют ни!
какого смысла, когда заходит речь о применении этих по!
нятий к реальным объектам (например, понятие иррацио!
нального числа).
Далее, понятие физической величины может утратить
смысл, если к ее измерению предъявить требования не!
оправданно высокой точности. Так, например, не совсем
ясно, о чем идет речь, если поставить задачу об измерении
длины твердого стержня с точностью до размеров электрона,
или даже атома. Принципиально неограниченная точность
измерения имеет смысл для абстрактных, прямолинейных
отрезков геометрии, а не для реальных тел, имеющих ато!
мистическую структуру.
Коснемся теперь внутреннего развития самой физики.
Исторически наиболее старшим является раздел фи!
зики, который принято называть классической физи!
кой. Сюда входят механика, термодинамика, статисти!
ческая физика, электродинамика, оптика и т.д., т.е.
примерно вся физика до начала прошлого столетия.
По мере развития физики было показано, что ее зако!
ны дают расходящиеся с опытными данными результа!
ты при больших скоростях движения тел (сравнимых со
скоростью света). В результате этого была создана новая
механика, применимая не только к медленным, но и
сколь угодно быстрым движениям. Возникла релятиви!
стская механика или механика теории относительности.
Кроме того, развитие привело физику к необходимос!
ти описать движение частиц микромира. И здесь также
оказалось, что классическая механика не в состоянии
описать движение микрочастиц. Адекватное описание
явлений микромира (применимое, конечно, также в ка!
ких!то пределах) дает квантовая механика.
В квантовой механике вводятся принципиально но!
вые понятия и представления, не сводимые к обычным
представлениям и понятиям.
Механика Ньютона является классической нереляти!
вистской механикой. Это значит, что она изучает мед!
ленные движения макроскопических тел.
Релятивистская и квантовая механика являются более
общими теориями, чем механика Ньютона. Последняя со!
держится в них как приближенный частный случай.
www.phoenixbooks.ru
Ââåäåíèå •
9
Релятивистская механика переходит в механику Нью!
тона в случае медленных движений. Квантовая механи!
ка переходит в механику Ньютона в случае тел достаточ!
но больших масс, движущихся в достаточно плавно
меняющихся силовых полях.
Это не значит, что механика Ньютона утратила свое
значение. Во многих случаях фактические изменения,
вносимые теорией относительности и квантовой механи!
кой, сводятся к небольшим релятивистским и кванто!
вым поправкам. Например, классическая механика при
скоростях спутников ~ 8 км/с обеспечивает точность до
10
–7
%.
Таким образом, классическая механика имеет очень
широкую и практически важную область применения.
В пределах этой области она никогда не утратит своего
научного и практического значения.
Несколько слов об электродинамике. Она по своей
сути является релятивистской. Попытки построить не!
релятивистскую электродинамику потерпели полный
провал. Именно электродинамика привела к созданию
теории относительности. Следовательно, понятия «клас!
сическая электродинамика» и «релятивистская элект!
родинамика» тождественны.
Однако к микрообъектам классическая электродина!
мика оказалась неприменимой и здесь была создана
квантовая электродинамика.
На этом мы закончим беглый обзор предмета физики
и перейдем к детальному изучению того раздела физи!
ки, который называется общей физикой.
Традиционно общий курс физики делится на три части.
Часть I — Механика и молекулярная физика.
Часть II — Электричество и магнетизм.
Часть III — Оптика и строение атома.
Изучение каждой части также традиционно занимает
по одному семестру. Таким образом, мы переходим к
изучению первой части общего курса физики — механи!
ки и молекулярной физики.
Поскольку общий курс физики очень объемный, то у
каждой части свои условные обозначения, и каждая
часть начинается с введения условных обозначений, ха!
рактерных именно для этой части.
www.phoenixbooks.ru
10
• Ôèçèêà
МЕХАНИКА
И МОЛЕКУЛЯРНАЯ
ФИЗИКА
Условные обозначения
A — работа, амплитуда колебаний
a — ускорение
a
н
— нормальное ускорение
a
t
— тангенциальное ускорение
a
ц
— центростремительное ускорение
a
c
— ускорение центра масс
c — скорость света в пустоте
C
V
— молярная теплоемкость при постоянном объеме
C
P
— молярная теплоемкость при постоянном давлении
c
V
— удельная теплоемкость при постоянном объеме
c
P
— удельная теплоемкость при постоянном давлении
D — коэффициент диффузии
E — полная энергия тела
F — сила
G — константа всемирного тяготения
g — ускорение свободного падения
g
0
— ускорение свободного падения на поверхности Земли
h — высота подъема тела над поверхностью Земли
i — индекс суммирования, число степеней свободы
I — момент инерции
I
0
— момент инерции относительно оси, проходящей че!
рез центр масс тела
J — поток вещества
k — коэффициент упругости, волновое число, постоян!
ная Больцмана
K — критическая точка
L — момент импульса
m — масса тела
m
0
— масса покоя, масса молекулы
m
p
— масса протона
I
www.phoenixbooks.ru
I. Ìåõàíèêà è ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà •
11
m
э
— масса электрона
M — молярная масса
M — момент силы
n — концентрация молекул, показатель политропы
N — нормальная реакция, общее число частиц, мощ!
ность
N
A
— число Авогадро
P — импульс тела
P — давление
P
кр
— критическое давление
P
нп
— давление насыщенных паров
q — поток тепла
Q — количество тепла, объемный расход жидкости, доб!
ротность
r — радиус!вектор
R
0
— радиус!вектор центра инерции тела
R — радиус окружности, кривизны, универсальная га!
зовая постоянная
Re — число Рейнольдса
S — длина дуги, энтропия
t — текущее время
T — период вращения, колебания; кинетическая энер!
гия, абсолютная температура
T
кр
— критическая температура
u — потенциальная энергия взаимодействия молекулы
U — внутренняя энергия реального газа
v
–
— среднеарифметическая скорость молекул газа
v
в
— наиболее вероятная скорость молекул газа
v
ср.кв.
— среднеквадратичная скорость молекул газа
V — объем
V
кр
— критический объем
v — мгновенная скорость
v
ср
— средняя скорость
W — термодинамическая вероятность
α — коэффициент теплопроводности, коэффициент по!
верхностного натяжения
β — угловое ускорение, коэффициент затухания
γ — константа Пуассона
ΔS — пройденный путь
Δr — перемещение
ε
ϕγνεττ ληεγωηβγϕλτ ;εγ*ητ θργλΩρ
η — коэффициент вязкого трения, КПД цикла
λ — логарифмический коэффициент затухания, средняя
длина свободного пробега молекул, длина волны
ν — линейная частота вращения, число молей
ρ — плотность, удельное сопротивление
www.phoenixbooks.ru
12
• Ôèçèêà
τ — время релаксации
ϕ — угол поворота
ω — угловая скорость, циклическая частота
ω
0
— собственная частота колебаний
Ω — частота вынужденных колебаний
Ω
р
— резонансная частота вынужденных колебаний
K, E
K
— кинетическая энергия
П, Е
П
— потенциальная энергия
Ф — сдвиг фаз вынужденных колебаний
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
Изучение предмета физики начинается с изучения
механического движения тел. Это отнюдь не случайно и
определяется не только исторической последовательнос!
тью развития физики.
Движение — это всякое изменение материи.
А механика изучает простейшую форму движе
ния — перемещение материальных тел. Под этим по
нимается изменение взаимного положения материаль
ных тел в пространстве с течением времени.
Механическое движение всегда присутствует во всех
высших формах движения, однако эти высшие формы
не сводятся к простейшим.
Сохранившиеся величественные постройки древних (в част!
ности пирамиды) позволяют нам думать, что у них уже имелось
представление об элементах механики. Греческий философ
Аристотель (384–322 гг. до н. э.), учитель Александра Македон!
ского, подытожил знания древних в области механики. Одна!
ко основной вопрос механики — вопрос о движении им был
сформулирован неправильно. Отсюда его печально знаменитое
выражение «боязнь природы пустоты». Это заблуждение древ!
них было развеяно лишь спустя 19 столетий. Как известно,
Аристотель колебался между идеализмом и материализмом.
Церковь канонизировала Аристотеля. Его называли «предте!
чей Христа в объяснении природы». Однако Аристотель не от!
www.phoenixbooks.ru
I. Ìåõàíèêà è ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà •
13
рывал время от процессов, происходящих в реальных вещах,
как это впоследствии сделал И. Ньютон.
Архимед (III в. до н. э.) открыл законы равновесия рычагов
и законы равновесия плавающих тел. Ученые средних веков
получили новые сведения о равновесии тел, но придержива!
лись ложного взгляда Аристотеля на движение тел.
В XVII в. Галилей (1564–1642) правильно раскрыл основ!
ной закон движения тел. Обобщая предшествующий опыт, ве!
ликий Ньютон (1643–1727) сформулировал основные законы
механики в такой сжатой и ясной форме, которая употребля!
ется и до сих пор.
Далее Л. Эйлер, Д. Бернулли, Ж. Даламбер, Ж. Лагранж
развили и усовершенствовали методы анализа сложных меха!
нических явлений.
1.1. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ
Кинематика занимается описанием механического
движения материальных точек без анализа причин,
вызвавших это движение.
Материальная точка
Материальной точкой называют макроскопическое
тело, размерами которого можно пренебречь в данном
конкретном движении и считать, что все вещество
тела сосредоточено как бы в одной геометрической
точке. Здесь существенна добавка — в данном конкрет!
ном движении. Например, движение Земли вокруг Сол!
нца. Здесь Землю можно считать материальной точкой,
так как радиус Земли — 6400 км, а радиус орбиты Зем!
ли — 150 млн км. И вращение Земли вокруг своей оси.
Здесь абстракция материальной точки не подходит, так
как бессмысленно говорить о вращении точки вокруг
оси, проходящей через ее саму.
С классической точки зрения, произвольное макро!
скопическое тело можно мысленно разбить на малые
микроскопические части, взаимодействующие между
www.phoenixbooks.ru
14
• Ôèçèêà
собой. Каждую из таких частей можно принять за мате!
риальную точку. Тем самым изучение движения произ!
вольной системы тел сводится к изучению движения си!
стемы взаимодействующих материальных точек.
Этим методом мы очень часто будем пользоваться в
дальнейшем, поэтому изучение начинаем с механики
одной материальной точки.
Система отсчета
Изучать движение одногоединственного тела в про
странстве бессмысленно. Всегда необходимо второе
тело, относительно которого можно изучать движе
ние первого тела.
Это второе тело обычно называют телом отсчета.
При исследовании движения тел в обычных услови!
ях, т.е. в аудитории, лаборатории и т.д., за тело отсчета
принимают нашу Землю. При изучении движения пла!
нет за тело отсчета принимают Солнце и т.д.
Поскольку наше пространство трехмерно — тело мо!
жет двигаться в трех независимых направлениях, то ха!
рактеризовать движение тела относительно отсчетного
тела также нужно по трем направлениям. Обычно с те!
лом отсчета связывают декартову или прямоугольную
систему координат. Эта система представляет собой три
взаимно перпендикулярных жестких стержня (лучей
света), являющихся строго прямолинейными, с обозна!
ченным положительным направлением.
Вопрос о прямолинейности стержней, лучей света на боль!
ших и малых расстояниях связан с вопросом о справедливости
геометрии Евклида. И, естественно, этот вопрос решается
опытным, экспериментальным путем. Проверяются, в частно!
сти, следствия из аксиом геометрии Евклида. Такие как, напри!
мер, что сумма внутренних углов треугольника равна 180°. При
этом было установлено, что геометрия Евклида справедлива в
масштабах от внутриядерных до границ Метагалактики, т.е.
от 10
–16
до 10
26
м.
Три направления декартовой системы координат со!
ответствуют нашим житейским понятиям. Вперед — по!
ложительное направление, назад — отрицательное, впра!
www.phoenixbooks.ru
I. Ìåõàíèêà è ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà •
15
во — положительное, влево — отрицательное, вверх —
положительное, вниз — отрицательное.
Тогда положение материальной точки М относитель!
но тела отсчета, т.е. относительно связанной с ним де!
картовой системой координат, задается тремя числа!
ми — x, y, z, соответствующими величинам проекций
точки М на оси координат (рис.1.1).
Рис. 1.1. Правая декартова система координат
z
Y
x
y
Z
X
0
M(x, y, z)
Здесь индексами X, Y, Z обозначены положительные
направления координатных осей, а индексами x, y, z —
проекции точки М на координатные оси. Обычно положе!
ние точки М записывают как М = М (x, y, z), подчерки!
вая этим, что ее положение зависит от координат x, y, z.
Поскольку точка движется в пространстве, то коор!
динаты x, y, z зависят от времени, т.е. являются функ!
циями времени. Это обстоятельство записывают следую!
щим образом:
x = x(t); y = y(t); z = z(t) или M = M(t).(1.1)
Как видно из рисунка, выбрав, например, положи!
тельное направление оси Х, положительные направле!
ния осей Y и Z можно брать совершенно произвольно.
При этом у нас получится две системы координат, в ко!
торых движение одной и той же материальной точки бу!
дет описываться в разном виде.
При этом говорят, что существуют правая и левая си!
стемы координат. Имеется определенное правило, кото!
рое позволяет различать в каждом конкретном случае
эти две системы координат. Это правило называется
правилом буравчика.
www.phoenixbooks.ru
16
• Ôèçèêà
Если мы будем вращать буравчик по направлению
кратчайшего совмещения положительного направления
оси Х с положительным направлением оси Y, то направ!
ление поступательного движения вращаемого буравчи!
ка укажет положительное направление оси Z в правой
системе координат и, соответственно, отрицательное на!
правление оси Z в левой системе координат.
Для определенности, в физике принято употреблять
правую систему координат.
Тело отсчета, связанная с ним система координат
и прибор для измерения времени составляют систему
отсчета.
С точки зрения математики, движение точки не обязательно
можно характеризовать тройкой чисел в декартовой системе ко!
ординат. Существует бесчисленное множество систем коорди!
нат, в которых можно описывать движение материального
тела.
Для выбора в каждом конкретном случае той или иной сис!
темы координат используется лишь одно соображение — удоб!
ство и простота описания движения.
Так наряду с декартовой системой координат часто упот!
ребляется сферическая система координат. В этой системе ко!
ординат положение точки М также задается тройкой чисел:
r — расстояние от начала системы координат до точки;
θ — полярный угол — угол между положительным направ!
лением оси Z и направлением на точку М;
Рис. 1.2. Сферическая система координат
Y
r
Z
X
0
M(x, y, z)
r = r(t)
θ = θ(t)
ϕ = ϕ(t)
M = M(r, θ, ϕ)
θ
ϕ
www.phoenixbooks.ru
656
• Ôèçèêà
ЛИТЕРАТУРА
Вихман Э. Берклеевский курс физики. Квантовая фи!
зика — М.: Наука, 1977.
Крауфорд Ф. Берклеевский курс физики. Волны.—
М.: Наука, 1976.
Китель Ч., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс
физики. Механика.— М.: Наука, 1975.
Кудрявцев П.С. История физики.— М.: Учпедгиз,
1956.
Матвеев А.Н. Механика и теория относительнос!
ти.— М.: Высшая школа, 1976.
Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. — М.:
Высшая школа, 1983.
Парсел Э. Берклеевский курс физики. Электричество
и магнетизм.— М.: Наука, 1983.
Поль Р.В. Механика, акустика, учение о теплоте.—
М.: Наука, 1971.
Рейф Ф. Берклеевский курс физики. Статистическая
физика.— М.: Наука, 1977.
Савельев И.В. Курс общей физики.— СПб.: Лань,
2006. Т. 1, 2, 3.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Механика.— М.:
Наука, 1974.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Термодинамика и
молекулярная физика.— М.: Наука, 1975.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество.—
М.: Наука, 1977.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.— М.: На!
ука, 1980.
Спасский Б.И. Физика в ее развитии.— М.: Просве!
щение, 1979.
Тамм И.Е. Основы теории электричества.— М.: На!
ука, 1976.
www.phoenixbooks.ru
Ëèòåðàòóðà •
657
Трофимова Т.И. Курс физики.— М.: Высшая школа,
2004.
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские
лекции по физике.— М.: Мир, 1978.
Физический энциклопедический словарь / гл. ред.
А.М.Прохоров, ред. кол. Д.М.Алексеев, А.М.Бонч!
Бруевич, А.С.Боровик!Романов и др.— М.: Советская
энциклопедия, 1983.
Храмов Ю.А. Физики: биографический справоч!
ник.— М.: Наука, 1983.
www.phoenixbooks.ru
658
• Ôèçèêà
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..............................................................................3
I. МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА..........10
1. Физические основы механики...............................12
1.1. Кинематика материальной точки......................13
Материальная точка........................................13
Система отсчета...............................................14
Путь, перемещение..........................................17
Скорость.........................................................19
Ускорение......................................................22
1.2. Динамика материальной точки.........................29
Первый закон динамики. Инерция....................29
Второй закон динамики. Сила. Масса................32
Третий закон динамики...................................37
Принцип относительности Галилея...................38
Силы, используемые при решении
практических задач.........................................41
Импульс силы. Импульс и закон
его сохранения................................................46
Принцип реактивного движения.......................48
1.3. Работа. Мощность. Энергия..............................52
Работа постоянной и переменной силы..............52
Мощность.......................................................55
Кинетическая энергия.....................................55
Консервативные и неконсервативные силы........57
Потенциальная энергия...................................58
Закон сохранения и превращения энергии.........59
Энергия упруго деформированного тела.............60
Гравитационная энергия..................................61
1.4. Динамика твердого тела...................................64
Абсолютно твердое тело, виды движений
твердого тела..................................................64
Вращательное движение твердого тела,
момент силы...................................................65
Основной закон динамики вращательного
движения, момент инерции..............................67
Момент инерции тел простейшей формы............70
Центр инерции твердого тела............................71
www.phoenixbooks.ru
Ñîäåðæàíèå •
659
Теорема Гюйгенса–Штейнера...........................74
Движение центра инерции твердого тела...........76
Работа при вращательном движении твердого
тела...............................................................78
Кинетическая энергия вращательного
движения.......................................................79
Момент импульса твердого тела и закон
его сохранения................................................81
Свободные оси вращения твердого тела..............82
Гироскопы......................................................83
1.5. Понятие о релятивистской механике.................86
Звездная аберрация.........................................86
Опыты Майкельсона........................................88
Постулаты теории относительности...................92
Преобразования Лоренца.................................93
Одновременность событий в разных системах
отсчета...........................................................96
Длительность событий.....................................97
Длина тел в разных системах отсчета................97
Релятивистское сложение скоростей.................98
Эффект Доплера.............................................100
Понятие о релятивистской динамике...............102
«Черные дыры»..............................................106
1.6. Элементы гидродинамики...............................108
Линии и трубки тока, уравнение
неразрывности...............................................108
Уравнение Бернулли.......................................109
Внутреннее трение (вязкость) жидкости...........111
Ламинарное и турбулентное течения.
Число Рейнольдса..........................................112
Ламинарное течение вязкой жидкости
в круглых трубах. Формула Пуазейля..............113
Методы определения вязкости жидкости.
Метод Стокса.................................................115
Капиллярные вискозиметры............................116
Ротационные вискозиметры............................117
2. Колебания и волны..............................................118
2.1. Собственные колебания...................................118
Понятие о гармонических колебаниях..............118
Дифференциальное уравнение гармонических
колебаний.....................................................120
Энергия гармонических колебаний..................121
Пружинный маятник......................................123
www.phoenixbooks.ru
660
• Ôèçèêà
Математический маятник...............................124
Физический маятник......................................127
2.2. Затухающие колебания...................................129
Параметры затухающих колебаний..................132
2.3. Вынужденные колебания................................134
2.4. Сложение колебаний.......................................140
Сложение одинаково направленных
колебаний.....................................................141
Биения..........................................................142
Сложение взаимно перпендикулярных
колебаний.....................................................144
Фигуры Лиссажу............................................146
2.5. Механические волны......................................147
Механизм распространения механических
волн..............................................................148
Уравнение волны............................................151
Стоячие волны...............................................154
Интерференция волн......................................156
Дифракция волн............................................159
3. Молекулярная физика и основы
термодинамики....................................................161
3.1. Молекулярно!кинетическая теория вещества
и ее опытное обоснование................................161
Статистический и термодинамический методы...161
Уравнение состояния идеального газа..............164
Основное уравнение молекулярно!
кинетической теории газов..............................166
Физический смысл температуры газа...............170
Закон Максвелла о распределении молекул
по скоростям..................................................171
Наиболее вероятная v
в
, среднеарифметическая
v
и среднеквадратическая v
ср.кв.
=
2
v
скорости молекул...........................................174
Опыт Штерна.................................................176
Распределение Больцмана...............................178
Эффективный диаметр, средняя длина
свободного пробега и число столкновений
молекулы......................................................178
3.2. Явление переноса...........................................180
Явление переноса в газах................................180
Диффузия газа...............................................181
www.phoenixbooks.ru
Ñîäåðæàíèå •
661
Вязкость газа.................................................184
Теплопроводность газов..................................189
Ультраразреженные газы................................191
3.3. Физические основы термодинамики.................193
Первое начало термодинамики........................193
Теплоемкость газа..........................................196
Молекулярно!кинетическая теория
теплоемкости идеальных газов........................199
Понятие о квантовой теории теплоемкости.......202
Применение первого начала термодинамики
к изопроцессам в газах. Работа газа.................205
Изохорный процесс........................................208
Изобарный процесс.........................................208
Изотермический процесс.................................209
Адиабатный процесс.......................................210
Политропический процесс...............................212
Обратимый и необратимый, равновесный
и неравновесный процессы..............................214
Второе начало термодинамики.........................218
Энтропия.......................................................219
Принцип работы тепловой и холодильной
машин...........................................................222
Цикл Карно...................................................224
3.4. Реальные газы................................................226
Учет сил взаимодействия между молекулами
газа...............................................................226
Уравнение Ван!дер!Ваальса.............................229
Критическое состояние...................................231
Опытные изотермы реального газа...................233
Пересыщенный пар и перегретая жидкость.......236
Внутренняя энергия реального газа..................237
Эффект Джоуля–Томсона................................239
Сжижение газов.............................................243
3.5. Жидкости......................................................245
Молекулярно!кинетические представления
строения жидкостей.......................................245
Поверхностный слой, его энергия....................246
3.6. Твердые тела..................................................248
Кристаллические и аморфные тела..................248
Кристаллические решетки..............................251
Тепловое движение в твердых телах.................252
Теплоемкость твердых тел...............................253
www.phoenixbooks.ru
662
• Ôèçèêà
Основные виды дефектов строения
твердых тел...................................................255
II. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ......................257
1. Электростатика....................................................260
1.1. Электрическое поле в вакууме.........................260
Заряд, атомистичность заряда,
элементарный заряд.......................................260
Закон сохранения заряда................................262
Закон Кулона.................................................262
Электростатическое поле.................................265
Принцип суперпозиции..................................267
Силовые линии, поток вектора
напряженности..............................................268
Теорема Гаусса...............................................270
Поле бесконечной, однородно заряженной
плоскости......................................................274
Поле двух разноименно заряженных
плоскостей.....................................................275
Поле бесконечно длинного, заряженного
цилиндра.......................................................276
Поле заряженной сферической поверхности......276
Напряженность поля объемно заряженной
сферы............................................................278
1.2. Работа, энергия электростатического поля........279
Работа сил поля при перемещении зарядов,
циркуляция вектора напряженности
электростатического поля...............................279
Потенциальная энергия заряда в поле,
потенциал поля..............................................281
Эквипотенциальные поверхности, взаимная
перпендикулярность эквипотенциальных
поверхностей и силовых линий поля................285
Градиент потенциала (связь между
напряженностью поля и его потенциалом)........287
1.3. Диэлектрики в электрическом поле..................290
Искажение поля в диэлектриках.....................290
Виды диэлектриков........................................291
Поляризация диэлектриков, напряженность
поля в диэлектрике........................................295
Пьезоэлектрики.............................................300
Сегнетоэлектричество.....................................301
1.4. Проводники в электрическом поле...................302
Распределение зарядов в проводнике................302
www.phoenixbooks.ru
Ñîäåðæàíèå •
663
Проводник в электрическом поле.....................304
Электрическая емкость проводников................307
Заземление....................................................310
Конденсаторы................................................310
Энергия электрического поля..........................313
2. Электрический ток, законы постоянного тока..315
Электрический ток.........................................315
Закон Ома для участка цепи, сопротивление.....316
Закон Ома для замкнутой цепи, ЭДС................319
Распределение напряжения по замкнутой
цепи..............................................................322
Работа тока....................................................324
Тепловое действие тока...................................325
Мощность постоянного тока............................327
Правила Кирхгофа.........................................329
3. Электромагнетизм................................................331
3.1. Магнитостатика.............................................331
Магнитное взаимодействие токов.....................331
Магнитное поле, его характеристики...............332
Силовые линии магнитной индукции, поток
вектора магнитной индукции..........................334
Закон Био–Савара, поле движущегося
заряда...........................................................337
Магнитное поле прямого тока..........................339
Индукция магнитного поля кругового витка
с током..........................................................341
Вихревой характер магнитного поля................343
Магнитное поле соленоида..............................345
Поле тороида.................................................348
Закон Ампера................................................349
Контур с током в однородном магнитном поле....351
Контур с током в неоднородном поле................353
Работа перемещения контура с током
в магнитном поле...........................................354
3.2. Движение заряженных частиц в магнитных
полях............................................................357
Сила Лоренца................................................357
Частица в магнитном и электрическом полях...358
Частица влетает перпендикулярно линиям
индукции......................................................359
Частица влетает под углом к линиям
индукции......................................................360
www.phoenixbooks.ru
664
• Ôèçèêà
Эффект Холла................................................361
Принцип действия масс!спектрографа..............363
Ускорение заряженных частиц........................365
3.3. Электромагнитная индукция...........................368
Явление электромагнитной индукции..............368
ЭДС индукции...............................................369
Электронный механизм возникновения
ЭДС индукции...............................................371
Взаимная индукция........................................374
Коэффициент взаимной индукции двух
контуров.......................................................377
Трансформатор...............................................378
Явление самоиндукции...................................380
Вихревое электрическое поле..........................384
Вихревые токи...............................................386
Энергия магнитного поля................................388
3.4. Магнитное поле в веществе..............................391
Электрон на орбите.........................................391
Электрон на орбите во внешнем
магнитном поле..............................................394
Диамагнетизм................................................396
Парамагнетизм..............................................398
Намагничение магнетиков..............................400
Вектор напряженности магнитного поля..........404
Свойства вектора H........................................406
Ферромагнетики............................................407
4. Электрический ток в средах...............................413
4.1. Основы классической теории
электропроводности........................................413
Природа носителей тока в металлах.................413
Элементарная классическая теория металлов....414
Закон Ома......................................................416
Закон Джоуля–Ленца.....................................418
Закон Видемана–Франца................................419
Трудности классической теории.......................420
4.2. Элементы квантовой электронной теории
проводимости.................................................421
Энергетические уровни изолированного атома....421
Энергетические уровни твердого тела...............423
Статистика Ферми..........................................427
Деление твердых тел на изоляторы,
проводники и полупроводники........................430
www.phoenixbooks.ru
Ñîäåðæàíèå •
665
Собственная проводимость полупроводников....432
Примесная проводимость................................434
Работа выхода электронов...............................436
Термоэлектронная эмиссия.............................437
Контактная разность потенциалов...................439
Термоэлектрические явления..........................441
Явление Зеебека.............................................444
Контактные явления в полупроводниках,
полупроводниковый диод................................445
Полупроводниковый триод, транзистор............448
5. Электромагнитные колебания и волны............449
5.1. Электромагнитные колебания..........................449
Свободные колебания в контуре без потерь.......449
Качественный анализ.....................................449
Точное решение..............................................452
Свободные затухающие колебания,
общее решение...............................................454
Характеристики процесса, логарифмический
декремент затухания......................................456
Время релаксации..........................................457
Добротность контура......................................457
Сдвиг фаз между током и напряжением............458
Апериодический процесс.................................459
Вынужденные электромагнитные колебания.
Общее решение...............................................459
Резонанс........................................................460
5.2. Переменный ток.............................................462
Основные определения....................................462
Прохождение тока через резистор,
метод векторных диаграмм..............................463
Прохождение тока через индуктивность,
реактивное сопротивление...............................463
Прохождение тока через конденсатор,
емкостное сопротивление................................465
Резонанс напряжений, сдвиг фаз между
током и напряжением.....................................466
Резонанс токов, мощность в цепи
переменного тока...........................................468
5.3. Уравнения Максвелла.....................................469
Теорема Гаусса для электрического поля..........469
Теорема Гаусса для магнитного поля................470
Циркуляция вектора электрического поля........471
Циркуляция вектора магнитного поля.............473
www.phoenixbooks.ru
666
• Ôèçèêà
Ток смещения................................................473
5.4. Электромагнитные волны................................476
Дифференциальное уравнение плоской
электромагнитной волны................................476
Уравнение плоской электромагнитной волны....478
Характеристики электромагнитной волны........479
Энергия, поток энергии электромагнитной
волны............................................................481
Энергетический баланс при прохождении
тока по проводнику........................................482
III. ОПТИКА. ФИЗИКА АТОМА.................................485
1. Волновая оптика..................................................487
1.1. Интерференция света......................................487
Характеристики электромагнитной волны........487
Сложение некогерентных волн........................488
Сложение когерентных волн............................490
Естественный свет, причина
его некогерентности........................................491
Интерференция света от двух щелей.................493
Опыт Юнга....................................................496
Зеркала Френеля............................................496
Бипризма Френеля.........................................497
Интерференция света в тонких пластинках
и пленках......................................................498
Полосы равного наклона.................................500
Полосы равной толщины.................................501
Кольца Ньютона.............................................502
Практическое применение явления
интерференции..............................................503
1.2. Дифракция света............................................508
Явление дифракции света...............................508
Метод зон Френеля.........................................509
Зонная пластинка...........................................511
Пределы применимости законов
геометрической оптики...................................512
Дифракция света на щели...............................515
Дифракционная решетка................................519
Дисперсия спектральных приборов..................523
Разрешающая способность..............................524
1.3. Поляризация света.........................................526
Плоскость колебаний и плоскость
поляризации..................................................526
www.phoenixbooks.ru
Ñîäåðæàíèå •
667
Более сложные виды поляризации.
Естественный свет..........................................527
Эллиптически поляризованный луч.................529
Естественный луч...........................................529
Поляризация света при отражении
и преломлении...............................................530
Угол Брюстера...............................................533
Двойное лучепреломление...............................534
Поляризационные приборы, поляроид.............538
Призма Николя..............................................538
Закон Малюса................................................539
Интерференция поляризованных лучей............540
Искусственная анизотропия............................541
Эффект Керра................................................541
Вращение плоскости поляризации...................542
Эффект Фарадея.............................................543
1.4. Дисперсия и поглощение света в веществе........544
Дисперсия, ход лучей в призме........................544
Взаимодействие света с веществом.
Классическая теория дисперсии света..............548
Поглощение света веществом...........................552
2. Квантовые оптические явления.........................555
2.1. Тепловое излучение........................................555
Понятие о равновесном тепловом излучении.....555
Характеристики теплового излучения..............556
Закон Кирхгофа.............................................557
Законы излучения абсолютно черного тела.......559
Квантовый характер излучения.......................562
Оптическая пирометрия, дистанционный,
бесконтактный метод измерения температуры....565
2.2. Фотоэлектрический эффект, корпускулярно!
волновой дуализм...........................................565
Внешний фотоэффект.....................................565
Внутренний фотоэффект.................................570
Вентильный фотоэффект.................................571
Корпускулярно!волновой дуализм...................572
3. Физика атома. Элементы ядерной физики.......575
3.1. Электронная оболочка атома и теория Бора.......575
Закономерности линейчатых спектров
водорода........................................................575
Модель атома Томсона....................................577
Опыты Резерфорда.........................................579
www.phoenixbooks.ru
668
• Ôèçèêà
Планетарная модель атома Резерфорда.............581
Постулаты Бора.............................................583
Применение теории Бора к водородоподобным
атомам..........................................................584
Опыты Франка и Герца...................................587
Достоинства и недостатки теории Бора.
Поправки Зоммерфельда.................................589
Спин электрона и спиновое квантовое число.....592
Периодическая система элементов
Менделеева....................................................593
3.2. Рентгеновское излучение................................595
Природа и свойства лучей Рентгена.................595
Рентгеновские спектры...................................597
Дифракция лучей Рентгена.............................599
3.3. Эффект Комптона...........................................602
3.4. Люминесценция.............................................606
3.5. Оптические квантовые генераторы...................610
Спонтанные и вынужденные переходы,
их вероятность...............................................610
Инверсная населенность уровней.....................612
3.6. Элементы квантовой механики........................617
Гипотеза Луи!де!Бройля.................................617
Корпускулярно!волновые свойства частиц........618
Эксперименты, указывающие на волновую
природу электрона.........................................619
Корпускулярная природа электрона.................619
Соотношение неопределенностей......................620
Электрон в электронно!лучевой трубке
и атоме..........................................................623
Длина волны де!Бройля покоящихся тел..........624
Физический смысл волновой функции.............625
Волновая функция заряженной частицы..........626
Операторы импульса и энергии........................627
Уравнение Шредингера...................................628
3.7. Физика атомного ядра и элементарных
частиц...........................................................632
Радиоактивность............................................632
Методы регистрации радиоактивного
излучения.....................................................634
Правила радиоактивного смещения.................636
Изотопы, изобары, изотоны, изомеры..............637
Закон радиоактивного распада, активность.......638
www.phoenixbooks.ru
Ñîäåðæàíèå •
669
Атомное ядро.................................................639
Ядерные силы................................................641
Современные представления о природе
электромагнитных и ядерных сил....................642
Туннельный эффект........................................644
Понятие об устойчивости ядра.........................645
Ядерные реакции...........................................645
Реакции с медленными частицами...................646
Реакции с быстрыми нейтронами.....................647
Деление тяжелых ядер....................................648
Ядерное оружие и ядерная энергетика..............650
Термоядерные реакции...................................653
Водородная бомба...........................................654
Управляемые термоядерные реакции...............654
Литература.....................................................................656
Ответственный редактор Е. Алексеева
Технический редактор Л. Багрянцева
Корректоры О. Милованова, М. Лепехина
Художник А. Вартанов
Сдано в набор 10.06.2008. Подписано в печать 10.12.2008.
Формат 84×108 1/32. Бумага офсетная.
Гарнитура Школьная. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 35,28. Тираж 3000 экз.
Заказ №
ООО «Феникс»
344082, г. Ростов!на!Дону, пер. Халтуринский, 80
Отпечатано с готовых диапозитивов в ЗАО «Книга»
344019, г. Ростов!на!Дону, ул. Советская, 57
Серия: «Высшее образование»
Владимир Борисович Федосеев
ФИЗ ИК А
Учебник
www.phoenixbooks.ru
Автор
phoenixbooks
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1 145
Размер файла
142 Кб
Теги
физики, учебник
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа