Физика для школьников старших классов и поступающих в ВУЗы, Яворский Б.М., Детлаф А.А., 2005

Физика для школьников старших классов и поступающих в ВУЗы, Яворский Б.М., Детлаф А.А., 2005.
    В пособие включены все разделы современной физики: «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электродинамика», «Колебания и волны», «Оптика», «Основы квантовой физики», «Физика ядра и элементарных частиц». Даны определения понятий, кратко изложены физические законы, а также приведены необходимые разъяснения, доказательства и выводы. В конце пособия имеются сведения о единицах и погрешностях измерения физических величин и краткое математическое приложение.
Пособие будет полезно учащимся общеобразовательных, физико-математических школ, колледжей и лицеев, абитуриентам, студентам высших учебных заведений, преподавателям и всем желающим пополнить знания по физике.

Первый закон Ньютона.
Инерциальные системы отсчета
1°. В качестве первого закона динамики Ньютон принял закон, установленный еще Галилеем: материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет ее из этого состояния.
Первый закон Ньютона показывает, что состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое их инертностью. Соответственно первый закон Ньютона называют законом инерции, а движение тела в отсутствие воздействий со стороны других тел — движением по инерции.
2°. Механическое движение относительно: его характер для одного и того же тела может быть различным в разных системах отсчета (1.1.2.1°), движущихся друг относительно друга. Например, космонавт, находящийся на борту искусственного спутника Земли, неподвижен в системе отсчета, связанной со спутником. В то же время по отношению к Земле он движется вместе со спутником по эллиптической орбите, т. е. не равномерно и не прямолинейно. Естественно поэтому, что первый закон Ньютона должен выполняться не во всякой системе отсчета. Например, шар, лежащий на гладком полу каюты корабля, который идет равномерно и прямолинейно, может прийти в движение по полу без всякого воздействия на него со стороны каких-либо тел. Для этого достаточно, чтобы скорость корабля начала изменяться.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Отдел I МЕХАНИКА
Глава I.1. Кинематика 5
§ I.1.1. Механическое движение. Предмет механики 5
§ I.1.2. Система отсчета. Траектория. Длина пути и вектор перемещения точки 7
§ I.1.3. Скорость 10
§ I.1.4. Ускорение 13
§ I.1.5. Поступательное и вращательное движения твердого тела 15
Глава I.2. Законы Ньютона 20
§ I.2.1. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета 20
§ I.2.2. Сила 22
§ I.2.3. Масса. Импульс 24
§ I.2.4. Второй закон Ньютона 26
§ I.2.5. Третий закон Ньютона. Движение центра масс 29
§ I.2.6. Движение тела переменной массы 30
§ I.2.7. Закон сохранения импульса 32
§ I.2.8. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности 34
Глава I.3. Работа и механическая энергия 38
§ I.3.1.Энергия, работай мощность 38
§ I.3.2. Кинетическая энергия 43
§ I.3.3. Потенциальная энергия 45
§ I.3.4. Закон сохранения механической энергии 49
§ I.3.5. Абсолютно упругий и неупругий удары 53
Глава 1.4. Динамика вращательного движения 56
§ I.4.1. Момент силы и момент импульса 56
§ I.4.2. Момент инерции 61
§ I.4.3. Основной закон динамики вращательного движения 63
§ I.4.4. Закон сохранения момента импульса 67
Глава I.5. Основы специальной теории относительности 71
§ I.5.1. Постулаты специальной теории относительности 71
§ I.5.2. Одновременность событий. Синхронизация часов 73
§ I.5.3. Преобразования Лоренца 76
§ I.5.4. Относительность длин и промежутков времени. Интервал между двумя событиями 77
§ I.5.5. Преобразование скоростей и ускорений в релятивистской кинематике 83
§ I.5.6. Основной закон релятивистской динамики 86
§ I.5.7. Закон взаимосвязи массы и энергии 88
Глава I.6. Тяготение 91
§ I.6.1. Закон всемирного тяготения 91
§ I.6.2. Гравитационное поле 93
§ I.6.3. Законы Кеплера. Космические скорости 98
Глава I.7. Движение в неинерциальных системах отсчета 101
§ I.7.1. Кинематика относительного движения 101
§ I.7.2. Силы инерции 103
§ I.7.3. Относительное движение в системе отсчета, связанной с Землей. Сила тяжести и вес тела 105
§ I.7.4. Принцип эквивалентности 109
Отдел II ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ
Глава II.1. Идеальные газы 112
§ II.1.1. Предмет молекулярной физики. Тепловое движение 112
§ II.1.2. Статистический и термодинамический методы исследования 114
§ II.1.3. Термодинамические параметры. Уравнение состояния. Термодинамический процесс 115
§ II.1.4. Уравнение состояния идеального газа 118
Глава II.2. Первый закон (первое начало) термодинамики 121
§ II.2.1. Полная и внутренняя энергия системы 121
§ II.2.2. Теплота и работа 123
§ II.2.3. Первый закон (первое начало) термодинамики 126
§ II.2.4. Графическое изображение термодинамических процессов и работы 128
§ II.2.5. Теплоемкость вещества. Применения первого начала термодинамики к изопроцессам в идеальном газе 129
Глава II.3. Кинетическая теория газов 136
§ II.3.1. Некоторые сведения о классической статистической физике 136
§ II.3.2. Основное уравнение кинетической теории газов 138
§ II.3.3. Закон Максвелла о распределении молекул по скоростям и энергиям (максвелловский закон распределения молекул по скоростям и энергиям) 140
§ II.3.4. Распределение частиц в потенциальном силовом поле (распределение Больцмана) 143
§ II.3.5. Средняя длина свободного пробега молекул 145
§ II.3.6. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа 146
§ II.3.7. Теплоемкости одноатомных, двухатомных и многоатомных газов 148
§ II.3.8. Явления переноса в газах 153
§ II.3.9. Понятие о свойствах разреженных газов 158
Глава II.4. Второй закон (второе начало) термодинамики 160
§ II.4.1. Круговые процесса (циклы). Цикл Карно 160
§ II.4.2. Обратимые и необратимые процессы 164
§ II.4.3. Второй закон (второе начало) термодинамики 166
§ II.4.4. Энтропия и свободная энергия 168
§ II.4.5. Статистическое истолкование второго закона термодинамики 172
§ II.4.6. Флуктуации 173
§ II.4.7. Броуновское движение 176
§ II.4.8. Понятие о третьем законе термодинамики 177
Глава II. 5. Реальные газы и пары 178
§ II.5.1. Силы межмолекулярного взаимодействия 178
§ II.5.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса 184
§ II.5.3. Изотермы реальных газов. Понятие о фазовых переходах 186
§ II.5.4. Понятие о сверхтекучести гелия 189
Глава II.6. Жидкости 191
§ II.6.1. Некоторые свойства жидкостей 191
§ II.6.2. Дырочная теория жидкого состояния 192
§ II.6.3. Явления диффузии и внутреннего трения в жидкостях 194
§ II.6.4. Поверхностное натяжение жидкостей 196
§ II.6.5. Смачивание и капиллярные явления 198
§ II.6.6. Испарение и кипение жидкостей 201
Отдел III. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Глава III. 1. Электрические заряды. Закон Кулона 205
§ III.1.1. Введение 205
§ III.1.2. Закон Кулона 206
Глава III.2. Напряженность электрического поля 208
§ III.2.1. Электрическое поле. Напряженность поля 208
§ III.2.2. Принцип суперпозиции электрических полей 210
§ III.2.3. Поток напряженности. Теорема Остроградского—Гаусса для электростатического поля в вакууме 213
Глава III. 3. Потенциал электростатического поля 216
§ III.3.1. Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении в нем электрического заряда 216
§ III.3.2. Потенциал электростатического поля 218
§ III.3.3. Примеры применения теоремы Остроградского—Гаусса к расчету электростатических полей в вакууме 222
Глава III.4. Электрическое поле в диэлектрических средах 228
§ III.4.1. Дипольные моменты молекул диэлектрика 228
§ III.4.2. Поляризация диэлектриков 231
§ III.4.3. Теорема Остроградского—Гаусса для электростатического поля в среде 235
§ III.4.4. Условия для электростатического поля на границе раздела изотропных диэлектрических сред 237
§ III.4.5. Сегнетоэлектрики 241
Глава III.5. Электрическая емкость 242
§ III.5.1. Проводники в электростатическом поле 242
§ III.5.2. Электроемкость уединенного проводника 244
§ III.5.3. Взаимная емкость. Конденсаторы 246
Глава III. 6. Энергия электрического поля 250
§ III.6.1. Энергия заряженного проводника и электрического поля 250
§ III.6.2. Закон сохранения энергии для электрического поля в несегнетоэлектрической среде 254
Глава III. 7. Постоянный электрический ток 257
§ III.7.1. Понятие об электрическом токе 257
§ III.7.2. Сила и плотность тока 259
§ III.7.3. Основы классической электронной теории электропроводности металлов 260
Глава III.8. Законы постоянного тока 264
§ III.8.1. Сторонние силы 264
§ III.8.2. Законы Ома и Джоуля—Ленца 265
§ III.8.3. Правила Кирхгофа 268
Глава III.9. Электрический ток в жидкостях и газах 271
§ III.9.1. Законы электролиза Фарадея, Электролитическая диссоциация 271
§ III.9.2. Атомность электрических зарядов 273
§ III.9.3. Электролитическая проводимость жидкостей 273
§ III.9.4. Электропроводность газов 275
§ III.9.5. Понятие о различных типах газового разряда 276
§ III.9.6. Некоторые сведения о плазме 279
Глава III.10. Магнитное поле постоянного тока 284
§ III. 10.1. Магнитная индукция. Сила Лоренца 284
§ III.10.2. Закон Ампера 287
§ III.10.3. Закон Био—Савара—Лапласа 289
§ III.10.4. Некоторые простейшие примеры магнитных полей в вакууме 293
§ III.10.5. Магнитное взаимодействие проводников с токами. Контур с током в магнитном поле. 297
§ III.10.6. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме 299
§ III.10.7. Магнитный поток. Теорема Остроградского—Гаусса для магнитного поля 302
§ III.10.8. Работа перемещения проводника с током в постоянном магнитном поле 303
Глава III.11. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях 304
§ III.11.1. Движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле 304
§ III.11.2. Явление Холла 307
§ III.11.3. Удельный заряд частиц. Масс-спектрометрия 309
§ III.11.4.Ускорители заряженных частиц 310
Глава 111.12. Магнитное поле в веществе 316
§ III.12.1. Магнитные моменты электронов и атомов 316
§ III.12.2. Атом в магнитном поле 318
§ III.12.3. Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле 321
§ III.12.4. Магнитное поле в веществе 324
§ III.12.5. Ферромагнетики 328
§ III.12.6. Условия для магнитного поля на границе раздела изотропных сред. Магнитные цепи 331
Глава III. 13. Электромагнитная индукция 336
§ III.13.1. Основной закон электромагнитной индукции 336
§ III.13.2. Явление самоиндукции 340
§ III.13.3. Взаимная индукция 343
§ III.13.4. Энергия магнитного поля в неферромагнитной изотропной среде 344
§ III.13.5. Закон сохранения энергии для магнитного поля в неферромагнитной среде 347
Глава III.14. Основы теории Максвелла 350
§ III.14.1. Общая характеристика теории Максвелла 350
§ III.14.2. Первое уравнение Максвелла 351
§ III.14.3. Ток смещения. Второе уравнение Максвелла 353
§ III.14.4. Третье и четвертое уравнения Максвелла 357
§ III.14.5. Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля 358
Отдел IV КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Глава IV. 1. Свободные гармонические колебания 363
§ IV.1.1. Гармонические колебания 363
§ IV.1.2. Механические гармонические колебания 367
§ ГУ.1.3. Свободные гармонические колебания в электрическом колебательном контуре 372
§ IV. 1.4. Сложение гармонических колебаний 375
Глава IV. 2. Затухающие и вынужденные колебания 384
§ IV.2.1. Затухающие колебания 384
§ IV.2.2. Вынужденные механические колебания 388
§ IV.2.3. Вынужденные электрические колебания 393
Глава IV.3. Упругие волны 397
§ IV.3.1. Продольные и поперечные волны в упругой среде 397
§ IV.3.2. Уравнение бегущей волны 400
§ IV.3.3. Фазовая скорость и энергия упругих волн 405
§ IV.3.4. Принцип суперпозиции волн. Групповая скорость 410
§ IV.3.5. Интерференция волн. Стоячие волны 412
§ IV.3.6. Эффект Доплера в акустике 418
Глава IV.4. Электромагнитные волны 420
§ IV.4.1. Свойства электромагнитных волн 420
§ IV.4.2. Энергия электромагнитных волн 425
§ IV.4.3. Излучение электромагнитных волн 428
§ IV.4.4. Шкала электромагнитных волн 430
§ IV.4.5. Отражение и преломление электромагнитных волн на границе раздела двух диэлектрических сред 433
§ IV.4.6. Эффект Доплера 438
Отдел V ОПТИКА
Глава V.I. Интерференция света 441
§ V.l.l. Монохроматичность и временная когерентность света 441
§ V.I.2. Интерференция света. Пространственная когерентность 444
§ V.I.3. Интерференция света в тонких пленках 450
§ V.I.4. Интерференция многих волн 455
Глава V.2. Дифракция света 458
§ V.2.I. Принцип Гюйгенса—Френеля 458
§ V.2.2. Дифракция Френеля 462
§ V.2.3. Дифракция Фраунгофера 464
§ V.2.4. Дифракция на пространственной решетке 471
§ V.2.5. Разрешающая способность оптических приборов 474
§ V.2.6. Голография 475
Глава V.3. Поглощение, рассеяние и дисперсия света. Излучение Вавилова—Черенкова 478
§ V.3.I. Взаимодействие света с веществом 478
§ V.3.2. Поглощение света 480
§ V.3.3. Рассеяние света 483
§ V.3.4. Нормальная и аномальная дисперсия света 485
§ V.3.5. Классическая электронная теория дисперсии света 487
§ V.3.6. Излучение Вавилова—Черенкова 490
Глава V.4. Поляризация света 492
§ V.4.I. Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических сред 492
§ V.4.2. Двойное лучепреломление 495
§ V.4.3. Интерференция поляризованного света 502
§ V.4.4. Искусственная оптическая анизотропия 506
§ V.4.5. Вращение плоскости поляризации 507
Глава V.5. Тепловое излучение 509
§ V.5.I. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа 509
§ V.5.2. Законы Стефана—Больцмана и Вина 514
§ V.5.3. Формула Планка 516
§ V.5.4. Оптическая пирометрия 519
Глава V.6. Основы квантовой ОПТИКИ 522
§ V.6.I. Внешний фотоэффект 522
§ V.6.2. Масса и импульс фотона. Давление света 526
§ V.6.3. Эффект Комптона 527
§ V.6.4. Корпускулярно-волновая двойственность свойств света 529
Отдел VI ФИЗИКА АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
Глава VI. 1. Элементы квантовой механики 532
§ VI. 1.1. Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц вещества 532
§ VI.1.2. Уравнение Шредингера 535
§ VI. 1.3. Движение свободной частицы 537
§ VI. 1.4. Частица в одномерной потенциальной яме бесконечной глубины 538
§ VI.1.5. Линейный гармонический осциллятор 540
§ VI. 1.6. Соотношения неопределенностей Гейзенберга 544
§ VI.1.7. Туннельный эффект 547
Глава VI.2. Строение атомов, молекул и их оптические свойства 550
§ VI.2.1. Атом водорода и водородоподобные ионы 550
§ VI.2.2. Пространственное квантование 555
§ VI.2.3. Принцип Паули. Периодическая система элементов Менделеева 557
§ VI.2.4. Химические связи и строение молекул 562
§ VI.2.5. Некоторые оптические свойства молекул 564
§ VI.2.6. Вынужденное излучение. Оптические квантовые генераторы 572
Отдел VII ОСНОВЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Глава VII. 1. Строение и некоторые свойства твердых тел 577
§ VII.1.1. Строение твердых тел 577
§ VII. 1.2. Тепловое расширение твердых тел 579
§ VII.1.3. Краткие сведения об упругих свойствах твердых тел 581
§ VII.1.4. Понятие о фазовых превращениях твердых тел 584
Глава VII.2. Некоторые сведения о квантовой физике твердых тел 587
§ VII.2.1. Понятие о квантовых статистиках 587
§ VII.2.2. Функции распределения Бозе—Эйнштейна и Ферми—Дирака 588
§ VII.2.3. Понятие о вырождении систем частиц, описываемых квантовыми статистиками 591
§ VII.2.4. Вырожденный электронный ферми-газ в металлах 593
§ VII.2.5. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов 596
§ VII.2.6. Явление сверхпроводимости 599
§ VII.2.7. Теплоемкость твердых тел 604
§ VII.2.8. Понятие о зонной теории твердых тел 610
§ VII.2.9. Металлы и диэлектрики в зонной теории 613
§ VII.2.10. Электропроводность полупроводников 615
§ VII.2.11. Понятие о контактных электрических явлениях в металлах и полупроводниках 619
Отдел VIII ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Глава VIII. 1. Строение и важнейшие свойства атомных ядер 624
§ VIII. 1.1. Основные свойства и строение ядра 624
§ VIII.1.2. Энергия связи ядер. Дефект массы 626
§ VIII.1.3. Ядерные силы 630
§ VIII.1.4. Радиоактивность 631
§ VIII.1.5. Альфа-распад 635
§ VIII.1.6. Бета-распад 637
§ VIII. 1.7. Гамма-излучение 640
§ VIII.1.8. Эффект Мёссбауэра 642
§ VIII.1.9. Ядерные реакции 646
Глава VIII.2. Элементарные частицы 656
§ VIII.2.1. Общие сведения об элементарных частицах 656
§ VIII.2.2. Взаимопревращения элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия 662
§ VIII.2.3. Лептоны и адроны 668
§ VIII.2.4. Фундаментальные частицы 675
Отдел IX ДОПОЛНЕНИЯ
§ IX. 1. Системы единиц физических величин 681
§ IX. 2. Фундаментальные физические константы 700
§ IX.3. Погрешности при измерениях физических величин 705
§ IX.4. Приближенные вычисления без точного учета погрешностей 716
§ IX.5. Краткое математическое приложение 718
Предметный указатель 727.