Физика, Ивлиев А.Д., 2008

Физика, Ивлиев А.Д., 2008.
    Учебное пособие содержит сведения о широком круге физических явлений и процессов, лежащих в основе действия многих современных приборов и машин, а также в основе различных технологий. Тщательно отобранный материал книги дает ясное представление о структуре физики и взаимосвязи ее разделов. Особо выделены фундаментальные законы и определения. Разобраны методики решения типовых задач, большое внимание уделено развитию умения мыслить самостоятельно. Значительно облегчают чтение книги многочисленные внутренние ссылки и подробный предметный указатель.
Пособие предназначено доя студентов нефизических специальностей высших учебных заведений, но может быть использовано и для самостоятельного изучения физики.
КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.
История развития физики как науки весьма обширна. С древнейших времен людям были известны многие физические явления, а для измерения физических величин были созданы разнообразные устройства. Так, ранее, чем в 2000 г. до н. э. уже существовали водяные и солнечные часы, компас, равноплечие весы и другие приборы. Однако имевшиеся знания принадлежали не всему человечеству, а лишь отдельным народам или некоторым группам людей. Это привело в дальнейшем к переоткрытию многих закономерностей и «переизобретению» ряда измерительных устройств другими народами: так, компас появился в Европе лишь в XII в. н. э. Переоткрытия, видимо, неизбежны и происходят даже в наши дни.
Активное накопление физических знаний и создание первых обобщающих теорий начались во времена античности (VI в. до н. э. — V в. н. э.). Трудами Пифагора, Демокрита, Платона, Аристотеля, Гиппарха, Архимеда, Птоломея и других мыслителей были заложены основы механики (в том числе и акустики), оптики, физики электричества и магнетизма. Были установлены некоторые кинематические и динамические соотношения механики, открыты законы распространения света и условия плавания тел, даны детальные описания действия рычага, ворота, клина, винта.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Перечень основных условных обозначений и сокращений 3
Предисловие 8
Методические рекомендации 10
Краткая историческая справка 13
Раздел 1. Классическая механика и специальная теория относительности 16
1.1. Механическое движение 16
1.2. Кинематика 23
§ 1.2.1. Поступательное движение 23
§ 1.2.2. Движение по окружности. Вращательное движение 27
1.3. Классическая динамика 33
§ 1.3.1. Законы Ньютона 33
§ 1.3.2. Принцип относительности Галилея 38
§ 1.3.3. Механика вращательного движения материальных точек и тел 39
§ 1.3.4. Силы в природе и технике 45
§ 1.3.5. Движение относительно неинерциальных систем отсчета 52
§ 1.3.6. Работа и энергия 55
1.4. Законы сохранения 66
§ 1.4.1. Закон сохранения импульса 66
§ 1.4.2. Закон сохранения момента импульса 68
§ 1.4.3. Закон сохранения полной механической энергии и всеобщий закон сохранения энергии 70
1.5. Механика жидкостей и газов 72
§ 1.5.1. Статика 72
§ 1.5.2. Кинематика и динамика 74
1.6. Специальная теория относительности 79
§ 1.6.1. Постулаты Эйнштейна 79
§ 1.6.2. Кинематика. Преобразования Лоренца и основные следствия из них 81
§ 1.6.3. Релятивистская динамика 86
§ 1.6.4. Работа и энергия 89
1.7. Итоги раздела и контрольные задания 93
1.8. Решение задач 94
Раздел 2. Электричество и магнетизм 101
2.1. Электрическое поле в вакууме 101
§ 2.1.1. Закон Кулона 101
§ 2.1.2. Теорема Гаусса для напряженности электрического поля 107
§ 2.1.3. Работа электростатических сил. Потенциал 117
2.2. Электрическое поле в диэлектриках 123
§ 2.2.1. Поляризация диэлектриков 123
§ 2.2.2. Теорема Гаусса для индукции электрического поля 128
§ 2.2.3. Характеристики электрического поля вблизи границы раздела двух сред 132
§ 2.2.4. Диэлектрические свойства материалов 135
2.3. Проводники в электрическом поле 137
§ 2.3.1. Распределение электрических зарядов в проводниках 137
§ 2.3.2. Электрическая емкость 139
§ 2.3.3. Энергия электрического поля 144
2.4. Постоянный электрический ток 146
§ 2.4.1. Сила тока. Электродвижущая сила. Электрическое напряжение 146
§ 2.4.2. Закон Ома 149
§ 2.4.3. Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца 159
§ 2.4.4. Электропроводящие свойства материалов. Электрический ток в твердых телах, жидкостях, газах и вакууме 163
2.5. Магнитостатическое поле в вакууме 173
§ 2.5.1. Взаимодействие движущихся зарядов. Индукция магнитного поля 173
§ 2.5.2. Закон Био-Савара. Расчет индукций магнитных полей, создаваемых электрическими токами 176
§ 2.5.3. Закон Ампера. Проводники с током в магнитном поле 182
§ 2.5.4. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле 186
§ 2.5.5. Теорема Гаусса для индукции магнитного поля 190
§ 2.5.6. Теорема о циркуляции вектора индукции магнитного поля вдоль замкнутого контура 192
2.6. Магнитное поле в веществе 197
§ 2.6.1. Намагничивание магнетиков. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль замкнутого контура 197
§ 2.6.2. Характеристики магнитного поля вблизи границы раздела двух сред. Магнитные цепи 202
§ 2.6.3. Магнитные свойства материалов 206
2.7. Электромагнитная индукция 213
§ 2.7.1. Закон Фарадея. Правило Ленца 213
§ 2.7.2. Явление самоиндукции 218
§ 2.7.3. Явление взаимной индукции 223
§ 2.7.4. Энергия магнитного поля 224
2.8. Электромагнитное поле 226
§ 2.8.1. Магнитоэлектрическая индукция. (Токи смещения Максвелла) 226
§ 2.8.2. Уравнения Максвелла 228
2.9. Итоги раздела и контрольные задания 232
2.10. Решение задач 237
Раздел 3. Колебания и волны 242
3.1. Общие сведения о колебаниях 242
§ 3.1.1. Кинематика и динамика колебательных процессов 242
§ 3.1.2. Сложение колебаний 247
§ 3.1.3. Затухающие колебания 252
§ 3.1.4. Резонанс. Вынужденные колебания в резонансных системах 255
3.2. Анализ колебательных процессов 261
§ 3.2.1. Колебания пружинного маятника 261
§ 3.2.2. Колебания физического и математического маятников 263
§ 3.2.3. Переменный электрический ток. Проводник, катушка индуктивности и конденсатор в цепи переменного гармонического тока 264
§ 8.2.4. Свободные колебания в колебательном контуре 270
§ 3.2.5. Вынужденные колебания в колебательном контуре 273
§ 3.2.6. Трансформатор в цепи переменного тока 275
3.3. Общие сведения о волнах 278
§ 3.3.1. Основные определения 278
§ 3.3.2. Волновое уравнение упругой волны. Энергия и скорость распространения упругой волны 282
§ 3.3.3. Волновые уравнения электромагнитной волны. Энергия и скорость распространения электромагнитной волны 286
§ 3.3.4. Методы получения, физические характеристики и области применения волн различных диапазонов частот 290
3.4. Волны в однородных средах 292
§ 3.4.1. Геометрическая акустика и геометрическая оптика 292
§ 3.4.2. Эффект Доплера 299
§ 3.4.3. Рассеяние, абсорбция и дисперсия 300
§ 3.4.4. Распространение волн через границу раздела двух изотропных сред 303
§ 3.4.5. Поляризованные волны 310
3.5. Интерференция волн 314
§ 3.5.1. Основные понятия 314
§ 3.5.2. Стоячие волны 318
§ 3.5.3. Интерференция волн, создаваемых двумя источниками 322
§ 3.5.4. Интерференция волн в пленках и пластинках 324
§ 3.5.5. Применения интерференции 330
3.6. Дифракция волн 332
§ 3.6.1. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля 332
§ 3.6.2. Дифракция Фраунгофера при прохождении волн через щель или круглое отверстие 339
§ 3.6.3. Дифракционная решетка 343
§ 3.6.4. Границы применимости законов геометрической акустики и геометрической оптики 351
§ 3.6.5. Применения дифракции. Голография 352
3.7. Итоги раздела и контрольные задания 354
3.8. Решение задач 358
Раздел 4. Молекулярная физика и термодинамика 362
4.1. Равновесные свойства идеального газа 362
§ 4.1.1. Методы исследования свойств систем, состоящих из большого числа подобных частиц 362
§ 4.1.2. Основные термодинамические свойства идеального газа 365
§ 4.1.3. Основные положения молекулярно-кинетической теории 368
§ 4.1.4. Закон распределения структурных элементов по скоростям (закон Максвелла) 371
§ 4.1.5. Барометрическая формула. Законы Больцмана и Максвелла-Больцмана 383
§ 4.1.6. Внутренняя энергия. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы 387
§ 4.1.7. Первое начало термодинамики 389
§ 4.1.8. Теплоемкость газов 392
§ 4.1.9. Работа при изменении объема газа 394
§ 4.1.10. Круговые процессы. Цикл Карно 399
§ 4.1.11. Статистический вес состояния системы. Энтропия. Второе начало термодинамики 402
§ 4.1.12. Характеристические функции и термодинамические потенциалы 409
4.2. Равновесные свойства неидеальных (реальных) газов и жидкостей. Фазовые переходы 412
§ 4.2.1. Силы межмолекулярных взаимодействий. Уравнение Ван-дер-Ваальса 412
§ 4.2.2. Фазовые переходы 414
§ 4.2.3. Свойства неидеальных (реальных) газов 422
§ 4.2.4. Свойства жидкостей 426
4.3. Физика неравновесных процессов 435
§ 4.3.1. Феноменологические законы явлений переноса 435
§ 4.3.2. Средняя длина свободного пробега структурных элементов 439
§ 4.3.3. Кинетические характеристики газов и жидкостей 441
4.4. Итоги раздела и контрольные задания 447
4.5. Решение задач 450
Раздел 5. Квантовая механика 454
5.1. Корпускулярно-волновой дуализм 454
§ 5.1.1. Тепловое излучение 454
§ 5.1.2. Внешний фотоэффект 464
§ 5.1.3. Тормозное рентгеновское излучение 468
§ 5.1.4. Эффект Комптона 469
§ 5.1.5. Излучение атомов. Развитие представлений о строении атома 472
§ 5.1.6. Фотоны и волны. Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного поля 479
§ 5.1.7. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм вещества 480
5.2. Законы квантовой механики 483
§ 5.2.1. Принцип неопределенностей Гейзенберга 483
§ 5.2.2. Волновая функция. Принцип суперпозиции 485
§ 5.2.3. Кинематика и динамика. Уравнение Шредингера 487
§ 5.2.4. Некоторые важные квантовомеханические задачи 490
§ 5.2.5. Тождественности принцип. Спин. Принцип Паули 498
§ 5.2.6. Законы сохранения 500
§ 5.2.7. Классическое приближение квантовой механики 501
5.3. Итоги раздела и контрольные задания 502
5.4. Решение задач 505
Раздел 6. Физика атомов и молекул 508
6.1. Стационарные состояния атомов и молекул 508
§ 6.1.1. Атом водорода и водородоподобный атом 508
§ 6.1.2. Многоэлектронные атомы 513
§ 6.1.3. Периодическая система элементов Менделеева 520
§ 6.1.4. Химическая связь. Молекулы 522
6.2. Нестационарные процессы в атомах и молекулах 525
§ 6.2.1. Излучение и поглощение энергии. Правила отбора 525
§ 6.2.2. Ширина спектральных линий . . 527
§ 6.2.3. Эффект Зеемана. Магнитный резонанс 529
§ 6.2.4. Рентгеновские спектры. Закон Мозли 530
§ 6.2.5. Спектры излучения молекул 533
§ 6.2.6. Вынужденное излучение. Оптический квантовый генератор 534
6.3. Итоги раздела и контрольные задания 537
6.4. Решение задач 538
Раздел 7. Физика твердого тела 542
7.1. Равновесные свойства решетки 542
§ 7.1.1. Внутренняя структура твердого тела 542
§ 7.1.2. Дефекты кристаллической решетки 548
§ 7.1.3. Методы структурного анализа 550
§ 7.1.4. Теплоемкость решетки 551
§ 7.1.5. Тепловое расширение. Уравнение состояния решетки твердого тела 560
7.2. Равновесные свойства коллективизированных электронов 564
§ 7.2.1. Обобществление электронов в конденсированных веществах 564
§ 7.2.2. Элементы зонной теории 567
§ 7.2.3. Теплоемкость электронов проводимости 569
§ 7.2.4. Динамика электронов проводимости 577
§ 7.2.5. Полупроводники 581
7.3. Явления переноса в твердых телах 587
§ 7.3.1. Теплопроводность решетки 587
§ 7.3.2. Электропроводность и теплопроводность электронов 589
§ 7.3.3. Термоэлектрические эффекты 593
7.4. Неоднородные структуры 598
§ 7.4.1. Работа выхода 598
§ 7.4.2. Контактная разность потенциалов 600
§ 7.4.3. Электронно-дырочный переход (р-n-переход) 603
§ 7.4.4. Биполярный транзистор 608
7.5. Итоги раздела и контрольные задания 611
7.6. Решение задач 613
Раздел 8. Физика атомного ядра и элементарных частиц 616
8.1. Атомное ядро 616
§ 8.1.1. Состав и характеристики атомного ядра. Модели атомного ядра 616
§ 8.1.2. Ядерные силы 620
§ 8.1.3. Радиоактивность 623
§ 8.1.4. Ядерные реакции 628
8.2. Элементарные частицы 633
§ 8.2.1. Классификация элементарных частиц 633
§ 8.2.2. Законы сохранения 634
§ 8.2.3. Кварковая модель адронов 636
8.3. Итоги раздела и контрольные задания 637
8.4. Решение задач 637
Заключение 640
Литература 641
Предметный указатель 642.