Физика - в 3-ех книгах - книга 3 - Бутиков Е.И., Кондратьев А.С.

Название: Физика - в 3-ех книгах - книга 3. 2004.
Автор: Бутиков Е.И., Кондратьев А.С.
Учебник принципиально нового типа. Последовательность изложения соответствует логической структуре физики как науки и отражает современные тенденции ее преподавания. Материал разделен на обязательный и дополнительный, что позволяет строить процесс обучения с учетом индивидуальных способностей учащихся, включая организацию их самостоятельной работы. Задачи служат как для получения новых знаний, так и для развития навыков исследовательской деятельности.
Для учащихся школ, гимназий, лицеев с углубленным изучением физико-математических дисциплин, а также для подготовки к конкурсным экзаменам в вузы.
Теория относительности — это физическая теория пространства и времени, т. е. теория пространственно-временных закономерностей, справедливых для любых физических процессов. Согласно обшей теории относительности (называемой также релятивистской теорией тяготения) свойства пространства-времени зависят от действующих в рассматриваемой области полей тяготения. Частная, или специальная, теория относительности описывает свойства пространства-времени в условиях, когда влиянием тяготения на эти свойства можно пренебречь.
ОГЛАВЛЕНИЕ
I. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
§1. Принцип относительности
Равноправие инерциальных систем отсчета (10). Понятие события (10). Классические представления о времени и пространстве (11). Преобразования Галилея (11). Принцип относительности и электродинамика (11). Отказ от классических представлений (12). Постулаты теории относительности (13). Второй постулат и законы механики (14).
§2. Релятивистская кинематика
Процедуры измерений (15). Одновременность событий и синхронизация часов (16). Измерение расстояний (17). Относительность одновременности событий (17). Относительность промежутков времени (18). Относительность пространственных расстояний (20). Классический предел (21).
§3. Преобразования Лоренца
Преобразования Лоренца. Интервал между событиями (23). Инвариантность интервала (24). Классификация интервалов (24). Закон преобразования скорости (25). Аберрация света (27).
§4. Релятивистская динамика
Импульс и энергия (28). Релятивистская масса (29). Энергия покоя (29). Кинетическая энергия (29). Пропорциональность массы и энергии (30). Эквивалентность энергии и массы (31). О законе сохранения массы (32). Масса покоя и квантовые закономерности (32). Вывод выражения для импульса (33). Вывод выражения для энергии (36).
§5. Примеры релятивистского движения частиц
Связь энергии и импульса (38). Движение под действием постоянной силы (38). Движение в магнитном поле (39). Ускоритель на встречных пучках (39).
II. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ
§6. Световые кванты
Фотоэлектрический эффект (44). Экспериментальные закономерности фотоэффекта (45). Кинетическая энергия фотоэлектронов (45). Соотношение Планка (46). Уравнение Эйнштейна (47). Корпускулярные и волновые свойства света (47). Невозможность классического объяснения фотоэффекта (48). Двойственная природа света (49). Фотоны (49). Эффект Комптона (50). Законы сохранения в эффекте Комптона (50). Дискретный характер взаимодействия света с электронами (52). Корпускулярное объяснение эффекта Доплера (52).
§7. Границы применимости классической физики
Соотношения неопределенностей. Дифракция электронов (54). Зарождение квантовой теории (54). Абстракции, лежащие в основе классической физики (55). О классическом детерминизме (56). Соотношения неопределенностей Гейзенберга (56). Иллюстрация соотношения неопределенностей (57). Гра­ницы применимости классических представлений (59).
§8. Свет — частицы или волны?
Корпускулярно-волновой дуализм (61). Частицы и волны в классической физике (62). Мысленный опыт, снимающий логические противоречия (62). Фотон — квантовый объект (65). Волны де Бройля (66). Волновые свойства микрочастиц (67). Еще о границах классического описания (67).
§9. Законы движения в квантовой физике
Роль средств наблюдения в квантовой физике (70). Вероятность в классиче­ской и квантовой физике (70). Описание состояния системы в квантовой физике (71). Принцип соответствия (72).
III. АТОМЫ. МОЛЕКУЛЫ. КРИСТАЛЛЫ
§10. Строение атома
Томсоновская модель атома (74). Опыты Резерфорда (74). Рассеяние на большие углы (75). Открытие атомного ядра (75). Планетарная модель атома (76). Постулаты Бора (76). Правило квантования (77). Уровни энергии атома водорода (78). Спектральные серии (78). Атом Бора и принцип соответствия (79). Современные представления о строении атома водорода (80). Постоянная тонкой структуры (81). Атомы с несколькими электронами (82). Принцип Паули (83). Многоэлектронные атомы (83).
§11. Измерения в атомной физике
Опыты Дж.Томсона (85). Опыты Х.Буша (86). Опыты Р.Милликена (86). Дискретность электрического заряда (87). «Взвешивание» электрона (88). Массы атомов и молекул (88). Принцип действия масс-спектрографа (89). Селектор скоростей ионов (90). Масс-спектрометр с поперечной фокусировкой (90). Разделение изотопов (91). Электронная оптика (91). Разрешающая способность (92). Атомная единица массы (92). Точные измерения атомных масс (93). Количество вещества. Постоянная Авогадро (94). Молярная масса (95). Размеры атомов и молекул (95).
§12. Молекулы
Химические силы и физика (97). Ионная связь между атомами (98). Кова-лентная связь (99). Взаимодействие атомов в молекуле (100). Колебания атомов в молекуле (101). Энергия химических превращений (101). Взаимо­действие между молекулами (102). Модельные потенциалы (103). Молекула в химии и в физике (104).
§13. Кристаллы
Монокристаллы и поликристаллы (106). Геометрия кристаллов (106). Сим­метрия кристаллической решетки (107). Кристаллические системы и классы (107). Симметрия и физические свойства (108). Молекулярные кристаллы (108). Ионные кристаллы (109). Ковалентные кристаллы (ПО). Металличе­ские кристаллы (111). Водородная связь (112).
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
§ 14. Основные понятия термодинамики
Термодинамическая система (115). Внешние и внутренние параметры (116). Состояние термодинамической системы (116). Термодинамический процесс (116). Стационарные и равновесные состояния (117). Время релаксации и локальное равновесие (117). Закон сохранения и превращения энергии в термодинамике (117). Внутренняя энергия (118). Температура (119). Измерение температуры. Термометр (119). Эмпирическая температурная шкала (120). Высокие и низкие температуры (120). Изолированная система и термодинамическое равновесие (121). Уравнение состояния (121).
§15. Уравнение состояния газа
Еаз в сосуде — простая термодинамическая система (123). Изопроцессы (123). Закон Бойля—Мариотта (123). Закон Шарля (124). Закон Гей-Люссака (125). Тазовый термометр (125). Шкала Кельвина (125). Уравнение состояния газа (126). Уравнение Менделеева—Клапейрона (127). Идеальный газ (127).
§16. Первый закон термодинамики
Функция состояния (131). Внутренняя энергия как функция состояния (131). Работа и теплота как формы изменения внутренней энергии (131). Работа в термодинамике (132). Адиабатические процессы (133). Работа внешних электрических сил (133). Теплота (134). Первый закон термодинамики (134). Квазистатические процессы на p-F-диаграмме (135). Теплоемкость (136). Изохорический процесс (136). Изобарический процесс (136). Адиабатический процесс (137). Изотермический процесс (137). Тепловой двигатель (138). Цикл тепловой машины (139). КПД тепловой машины (139).
§17. Примеры применения первого закона термодинамики
Энергетический баланс (141). Теплота и внутренняя энергия (141). Теплота и работа (141). Пример применения первого закона термодинамики (141). Еще один пример применения первого закона термодинамики (142). Змеевик как тепловая машина (144). Измерение теплоемкости газа (145).
§18. Второй закон термодинамики
Направление тепловых процессов (148). Неравноценность разных видов энергии (148). Обратимые и необратимые процессы (149). Различные фор­мулировки второго закона термодинамики (150). Эквивалентность форму­лировок Клаузиуса и Томсона (150). Принцип Каратеодори (152). Условия получения максимальной работы (154).
§19. Методы термодинамики и их применения
КПД всех обратимых тепловых машин одинаков (159). Работа идеального газа в изотермическом процессе (160). Вывод уравнения адиабаты (161). КПД цикла Карно (162). Неравенство Клаузиуса (163). Энтропия как функ­ция состояния (163). Объединенное уравнение первого и второго законов (165). Свободная энергия (165). Термодинамика диэлектриков и магнетиков (166). Зависимость внутренней энергии от объема (168).
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
§20. Экспериментальные основания статистической механики
Тепловое движение молекул (170). Наблюдение броуновского движения (171). Закономерности броуновского движения (171). Зависимость среднего перемещения от времени (172). Эксперимент и статистическая механика (173). Постановка задачи в статистической механике (174). Статистическая механика и термодинамика (175).
§21. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа
Физическая модель газа (176). Вывод основного уравнения кинетической теории идеального газа (176). Столкновение молекулы со стенкой (177). О роли столкновений молекул (177). Суммирование по всем молекулам (177). Среднее значение квадрата скорости (178). Идеальный газ в статистической механике и термодинамике (178). Физический смысл температу­ры (179). Равнораспределение энергии по степеням свободы (180). Давление газа и температура (180). Смеси различных газов (180). О микроскопиче­ских моделях (181). Другой вывод основного уравнения (181). Еще раз о роли столкновений (183). Еще один вывод основного уравнения (183). О характере столкновения со стенкой (185).
§22. Статистические распределения
Законы хаоса (186). Распределение молекул по высоте (187). Барометриче­ская формула (188). Распределение Больцмана (189). Распределение по проекции скорости (189). Функция распределения (189). Нормировка функции распределения (190). Распределение по трем проекциям скорости (190). Распределение по модулю скорости (191). Зависимость распределе­ния по скоростям от температуры (192). Экспериментальная кривая распределения Максвелла (192). Вычисление средних значений (193).
§23. Тепловое равновесие в статистической механике
Флуктуации макроскопических параметров (195). Пространственное рас­пределение молекул (196). Вероятности распределений молекул по половинам сосуда (196). Вероятность равномерного распределения (198). Общие закономерности флуктуации (199). Статистический подход (200). Равные вероятности микросостояний (200). Статистический вес макросостояния (200). Энтропия и температура (201). Задача о расширении газа в пустоту (202). Распределение Гиббса (203).
§24. Статистическая природа необратимости тепловых процессов
Гипотетический вечный двигатель (205). О необратимых процессах (206). Необратимые процессы и разрушение порядка (207). Флуктуации как отклонения от второго закона термодинамики (207). Статистическая гипотеза (208).
§25. Газы, жидкости, фазовые переходы
Фазы и компоненты термодинамической системы (209). Фазовые превра­щения (210). Равновесие фаз (210). Испарение и конденсация (210). Дав­ление насыщенного пара (211). Кипение (211). Центры парообразования (213). Перегретая жидкость (213). Критическая температура (213). Различие между газом и паром (214). Теплота испарения и конденсации (214). Влажность воздуха (214). Измерение влажности воздуха (215). Поверх­ностное натяжение (215). Сила поверхностного натяжения (216). Поверхностная энергия (216). Смачивание (217). Капиллярные явления (218). Капиллярное давление (218). Капиллярные волны (219).
§26. Реальные газы. Уравнение Вандер-Ваальса
О моделях реального газа (221). Модель твердых шаров (221). Модель Ван-дер-Ваальса (222). Учет размеров молекул (222). Учет взаимодействия между молекулами (222). Феноменологический характер уравнения Ван-дер-Ваальса (224). Изотермы Вандер-Ваальса (224). Экспериментальные изотермы Эндрюса (224). Метастабильные состояния (226). Абсолютно неустойчивые состояния (227). Критическое состояние вещества (227).
§27. Фазовые переходы
Диаграмма состояний (229). Кривая равновесия паржидкость (229). Пе­реход паржидкость (230). Изохорический переход паржидкость (231). Наблюдение критического состояния (232). Кривая равновесия жидкой и твердой фаз (232). Тройная точка (233). Квантовые жидкости (233). Испарение твердого тела (234). Правило фаз Гиббса (234).
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
§28. Излучение света атомами
Размер атома и длина волны (236). Спонтанное излучение (237). Классическая модель спонтанного излучения (237). Время жизни возбужденного атома (239). Ширина спектральных линий (240). Ширина линий и соотно­шение неопределенностей (240). Уширение спектральных линий из-за стол­кновений (240). Доплеровское уширение спектральных линий (241).
§29. Излучение света нагретыми телами
Тепловое излучение (242). Спектральный состав теплового излучения (243). Излучение как газ фотонов (243). Зависимость плотности энергии от температуры (245). Температура поверхности Земли (246).
§30. Вынужденное излучение.Квантовые усилители и генераторы света
Вероятность спонтанного перехода и время жизни (247). Вероятности вы­нужденных переходов (249). Мазеры и лазеры (250). Когерентность лазерного излучения (250). Усиление света активной средой (250). Методы создания активной среды (252). Резонаторы лазера (252). Формирование когерентного излучения (253). Спектр лазерного излучения (253).
§31. Электрический ток в газах
Газовый разряд (255). Несамостоятельный разряд (255). Ионизация и рекомбинация (256). Несамостоятельная проводимость (257). Подвижность электронов и ионов (257). Квазинейтральность (258). Плотность тока при несамо­стоятельном разряде (258). Закон Ома (259). Ток насыщения (259). Экспериментальное изучение газового разряда (259). Самостоятельный разряд (260). Ионизация электронным ударом (260). Эмиссия электронов из катода (261). Тлеющий разряд (262). Коронный разряд (262). Электрическая дуга (263). Опыты Франка и Герца (263). Дискретность уровней энергии атома (264).
§32. Электрический ток в жидкостях
Электролиты (266). Электролитическая диссоциация (266). Необычные электролиты (267). Ионная проводимость (267). Электролиз (268). Законы Фарадея (268). Законы Фарадея и элементарный заряд (269). Химические источники тока (269). Ток в цепи с гальваническим элементом (270). Потенциал в цепи с гальваническим элементом (271). Аккумуляторы (272). Применения электролиза (273).
§ 33. Плазма
Коллективное движение частиц в плазме (274). Квазинейтральность плазмы (275). Плазменные колебания (275). Экранировка кулоновского взаимодействия (276). Пространственные масштабы в плазме (277). Пространственная
однородность плазмы (278). Плазма и анализ размерностей (278). Волны в плазме (280). Применения плазмы (280).
VII. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
§34. Электронная структура кристаллов
Диэлектрики, полупроводники, металлы (282). Уровни энергии электронов в кристаллах (282). Энергетические зоны (283). Заполнение зон в диэлектриках (284). Собственные полупроводники (284). Примесные полупроводники (284). Металлы (284). Стационарные состояния электронов в кристалле (285). Квазиимпульс (286). Эффективная масса (286). Электроны и дырки в полупроводниках (287). Об электропроводности кристаллов (288). Равновесные и неравновесные носители (289).
§35. Электронные свойства металлов
Принцип Паули и электроны в металлах (291). Импульс Ферми (291). Энергия Ферми (292). О вкладе электронов в теплоемкость металла (293). Электропроводность металлов (294). Плазменные свойства металлов (297).
§36. Электронные свойства полупроводников
Роль примесей в полупроводниках (300). Доноры (300). Акцепторы (301). Электропроводность полупроводников (302). Распределение носителей тока по энергиям (303). Эффект Холла (304).
§37. Полупроводниковые приборы
рд-переходы (306). Диффузия электронов и дырок. Основные и неоснов­ные носители (307). Вольтамперная характеристика (307). Транзистор (309). Усилитель на транзисторе (309). Интегральные схемы (310). Светодиоды (311). Полупроводниковые лазеры (312). Фотодиоды (313). Роль процессов рекомбинации (313). О толщине и легировании базы транзистора (313). Рекомбинация в лазере (314).
VIII. АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
§38. Строение атомного ядра
Атомное ядро на Земле и в космосе (316). Состав атомного ядра (316). Энергия связи (317). Ядерные силы (317). Размеры ядер (318). Энергия связи и соотношение неопределенностей (318). Капельная модель ядра (319). Кулоновское отталкивание протонов (320).
§39. Радиоактивность. Ядерные реакции
Альфа-распад (322). Бета-распад (322). Нестабильность нейтрона (323). Гамма-распад (323). Закон радиоактивного распада (323). Возраст Земли (324). Ядерные реакции (324). Энергетические превращения при ядерных реакциях (325). Деление тяжелых ядер (326). Об экологических проблемах ядерной энергетики (327). Реакции синтеза (328).
§40. Элементарные частицы
Превращения элементарных частиц (329). Фундаментальные взаимодейст­вия (329). Поиски единого взаимодействия (330). О механизме фундаментальных взаимодействий (331). Радиус фундаментальных взаимодействий (332). Свойства электрослабого взаимодействия (332). Сильное взаимодействие. Кварки (333). Внутренние симметрии (334). Аннигиляция частицы и античастицы (334). Великое объединение (334).