Физика в таблицах и формулах, Трофимова Т.И., 2002

Физика в таблицах и формулах, Трофимова Т.И., 2002.
     Материал, изложенный в учебном пособии, охватывает все разделы курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений. Особенность и новизна представления курса заключается в том, что теоретический материал приведен в виде оригинальных блоков, в которых наглядно, однако без потери глубины содержания сформулированы основные законы и понятия, приведены наиболее важные формулы, прослежена логическая связь между рассматриваемыми физическими явлениями и понятиями.
Отбор материала и метод его изложения позволит понять и осмыслить курс физики, затем восстановить в памяти необходимую информацию, а также быстро повторить пройденный курс. Большое внимание уделено вопросам современной физики, а также иллюстративному материалу. В конце пособия приводится подробный предметный указатель.

Механика и ее структура.
Механика
Часть физики, в которой изучаются закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение.
классическая (механика Галилея — Ньютона)
Изучает законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью распространения света в вакууме.
релятивистская
Изучает законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью распространения света в вакууме (основана на специальной теории относительности, сформулированной А. Эйнштейном.
квантовая
Изучает законы движения микроскопических тел (отдельных атомов и элементарных частиц).
Разделы механики
кинематика
Изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.
динамика Изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение, статика Изучает законы равновесия системы тел.
Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
1. Физические основы механики
1.1. Основы кинематики
1.1.1. Структура механики и различные физические модели 5
1.1.2. Механическое движение 6
1.1.3. Кинематика поступательного движения 7
1.1.4. Примеры различных видов движения 9
1.1.5. Кинематика вращательного движения твердого тела 13
1.2. Основы динамики поступательного движения
1.2.1. Инерциальные системы отсчета. Масса и импульс тела. Сила 15
1.2.2. Второй и третий законы Ньютона 17
1.2.3. Принцип относительности Галилея 18
1.2.4. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции 19
1.2.5. Силы трения 22
1.2.6. Законы сохранения импульса и движения центра масс 23
1.3. Работа и энергия
1.3.1. Энергия, работа, мощность 25
1.3.2. Кинетическая и потенциальная энергия 26
1.3.3. Закон сохранения энергии 29
1.3.4. Графическое представление энергии 31
1.3.5. Удар абсолютно упругих и неупругих тел 32
1.4. Механика твердого тела
1.4.1. Момент инерции. Кинематическая энергия вращения 35
1.4.2. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела 37
1.4.3. Момент импульса и закон его сохранения 38
1.4.4. Деформации твердого тела 40
1.5. Тяготение. Элементы теории поля
1.5.1. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения 43
1.5.2. Гравитационное поле. Сила тяжести и вес 44
1.5.3. Характеристики гравитационного поля. Космические скорости 45
1.6. Элементы механики жидкостей
1.6.1. Давление в жидкости и газе. Уравнение неразрывности 48
1.6.2. Уравнение Бернулли и некоторые его применения 50
1.6.3. Вязкость (внутреннее трение). Режимы течения жидкостей 53
1.6.4. Методы определения вязкости 54
1.7. Элементы релятивистской механики
1.7.1. Постулаты специальной теории относительности (СТО) 55
1.7.2. Преобразования Лоренца и следствия из них 57
1.7.3. Интервал между событиями 61
1.7.4. Импульс и энергия материальной точки в релятивистской динамике 61
2. Основы молекулярной физики и термодинамики
2.1. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов
2.1.1. Статистический и термодинамический методы исследования 64
2.1.2. Термодинамические системы, параметры и процессы 65
2.1.3. Законы, описывающие поведение идеальных газов 66
2.1.4. Уравнение состояния идеального газа 70
2.1.5. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ) 72
2.1.6. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения 74
2.1.7. Барометрическая формула. Распределение Больцмана 77
2.1.8. Среднее число столкновений и длина свободного пробега молекул 78
2.1.9. Некоторые подтверждения молекулярно-кинетической теории 79
2.1.10. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах 81
2.1.11. Основные представления о свойствах разреженных газов 83
2.2. Основы термодинамики
2.2.1. Закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы 85
2.2.2. Первое начало термодинамики 87
2.2.3. Работа газа при изменении его объема 88
2.2.4. Теплоемкости. Уравнение Майера 88
2.2.5. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам 91
2.2.6. Адиабатный и политропный процессы 92
2.2.7. Круговой процесс (цикл). Обратимый и необратимый процесс 95
2.2.8. Энтропия 97
2.2.9. Второе и третье начала термодинамики 99
2.2.10. Тепловые двигатели и холодильные машины 100
2.2.11. Цикл Карно 102
2.2.12. Термодинамическая диаграмма Т—S и ее применение 103
2.3. Реальные газы, жидкости и твердые тела
2.3.1. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия 105
2.3.2. Уравнение состояния реальных газов 107
2.3.3. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ 108
2.3.4. Внутренняя энергия реального газа 109
2.3.5. Эффект Джоуля—Томсона 110
2.3.6. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение 112
2.3.7. Смачивание 114
2.3.8. Давление под искривленной поверхностью. Капиллярные явления 115
2.3.9. Твердые тела: кристаллические и аморфные 116
2.3.10. Типы кристаллических твердых тел 118
2.3.11. Дефекты в кристаллах 121
2.3.12. Теплоемкость твердых тел 122
2.3.13. Испарение, сублимация, конденсация, плавление и кристаллизация 124
2.3.14. Агрегатные состояния. Фазовые переходы 125
2.3.15. Диаграмма состояния и ее анализ 127
3. Электричество и электромагнетизм
3.1. Электростатика
3.1.1. Электрический заряд и закон его сохранения. Закон Кулона 129
3.1.2. Электростатическое поле и его напряженность 130
3.1.3. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя 132
3.1.4. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме 133
3.1.5. Применение теоремы Гаусса к расчету полей в вакууме 135
3.1.6. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля 137
3.1.7. Потенциал электростатического поля 137
3.1.8. Связь между напряженностью и потенциалом. Эквипотенциальные поверхности 139
3.1.9. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля 141
3.1.10. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков 142
3.1.11. Напряженность поля в диэлектрике 143
3.1.12. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике 144
3.1.13. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред 146
3.1.14. Сегнетоэлектрики 146
3.1.15. Проводники в электростатическом поле 147
3.1.16. Электроемкость. Конденсаторы 150
3.1.17. Энергия системы зарядов и уединенного проводника 152
3.1.18. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля 152
3.2. Постоянный электрический ток
3.2.1. Электрический ток и его характеристики 153
3.2.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение 154
3.2.3. Сопротивление проводников. Закон Ома 156
3.2.4. Работа и мощность тока. Закон Джоуля—Ленца 158
3.2.5. Закон Ома для неоднородного участка цепи (обобщенный закон Ома (ОЗО)) 159
3.2.6. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей 160
3.3. Электрические токи в металлах, вакууме и газах
3.3.1. Элементарная классическая теория металлов 162
3.3.2. Некоторые законы по классической теории и ее трудности 163
3.3.3. Работа выхода электронов из металла. Эмиссионные явления 165
3.3.4. Электрический ток в газах 167
3.4. Магнитное поле
3.4.1. Магнитное поле и его характеристики 171
3.4.2. Принцип суперпозиции. Закон Био—Савара—Лапласа 175
3.4.3. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов 176
3.4.4. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции В и напряженности Н 177
3.4.5. Движущиеся заряды и магнитные поля 177
3.4.6. Циркуляция вектора В магнитного поля в вакууме 180
3.4.7. Магнитные поля соленоида и тороида 181
3.4.8. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В 182
3.4.9. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле 184
3.5. Электромагнитная индукция
3.5.1. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея 185
3.5.2. Индуктивность контура. Самоиндукция 189
2.5.1. Токи при размыкании и замыкании цепи 190
3.5.1. Взаимная индукция. Трансформаторы 191
3.5.2. Энергия магнитного поля 192
3.6. Магнитные свойства вещества
3.6.1. Магнитные моменты электронов и атомов 195
3.6.2. Пара- и диамагнетики 196
3.6.3. Намагниченность. Магнитное поле в веществе 197
3.6.4. Условия на границе раздела двух магнетиков 199
3.6.5. Ферромагнетики и их свойства 199
3.7. Элементы теории Максвелла для электромагнитного поля
3.7.1. Вихревое электрическое поле 201
3.7.2. Ток смещения 202
3.7.3. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля 204
4. Колебания и волны
4.1. Механические и электромагнитные колебания
4.1.1. Колебания и их характеристики 207
4.1.2. Графическое изображение гармонических колебаний 209
4.1.3. Механические гармонические колебания 210
4.1.4. Незатухающий гармонический осциллятор. Маятники 211
4.1.5. Свободные колебания в идеализированном колебательном контуре 213
4.1.6. Сложение гармонических колебаний одного направления. Биения 215
4.1.7. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний 216
4.1.8. Свободные затухающие колебания и их анализ 217
4.1.9. Вынужденные колебания и их анализ 220
4.1.10. Переменный ток 224
4.1.11. Резонанс напряжений и токов 226
4.1.12. Мощность в цепи переменного тока 228
4.2. Упругие волны
4.2.1. Волны, их основные типы и характеристики 229
4.2.2. Описание бегущих волн 232
4.2.3. Принцип суперпозиции. Групповая скорость 233
4.2.4. Интерференция волн 234
4.2.5. Стоячие волны 235
4.2.6. Звуковые волны 237
4.2.7. Эффект Доплера в акустике 239
4.3. Электромагнитные волны
4.3.1. Получение электромагнитных волн и их диапазон 241
4.3.2. Описание электромагнитных волн 243
5. Оптика. Квантовая природа излучения
5.1. Элементы геометрической оптики
5.1.1. Основные законы оптики. Полное отражение 246
5.1.2. Зеркала и их основные характеристики 248
5.1.3. Линзы и их основные характеристики 250
5.1.4. Фотометрические величины и их единицы 254
5.2. Интерференция света
5.2.1. Принцип Гюйгенса — основа волновой оптики 255
5.2.2. Временная и пространственная когерентность 256
5.2.3. Интерференция монохроматического света 256
5.2.4. Получение когерентных пучков делением волнового фронта 257
5.2.5. Получение когерентных пучков делением амплитуды 260
5.2.6. Некоторые применения интерференции 262
5.2.7. Интерферометры 263
5.3. Дифракция света
5.3.1. Принцип Гюйгенса—Френеля 264
5.3.2. Метод зон Френеля. Зонные пластинки 265
5.3.3. Дифракция Френеля (дифракция в сходящихся лучах) 266
5.3.4. Дифракция Фраунгофера (дифракция в параллельных лучах) 268
5.3.5. Пространственная решетка. Дифракция рентгеновского излучения 271
5.3.6. Разрешающая способность оптических приборов 272
5.3.7. Дифракционная решетка как спектральный прибор 273
5.4. Распространение света в веществе
5.4.1. Нормальная и аномальная дисперсия света 273
5.4.2. Элементарная теория дисперсии 274
5.4.3. Поглощение (абсорбция) света 276
5.4.4. Рассеяние света 277
5.4.5. Излучение Вавилова—Черенкова 277
5.4.6. Эффект Доплера 278
5.5. Поляризация света
5.5.1. Естественный и поляризованный свет 279
5.5.2. Поляризация света при отражении и преломлении 281
5.5.3. Поляризация при двойном лучепреломлении 282
5.5.4. Поляризаторы 285
5.5.5. Прохождение плоскополяризованного света сквозь кристаллическую пластинку 286
5.5.6. Анализ поляризованного света 286
5.5.7. Интерференция поляризованного света 288
5.5.8. Искусственная оптическая анизотропия 290
5.5.9. Вращение плоскости поляризации 291
5.6. Квантовая природа излучения
5.6.1. Тепловое излучение и его описание 292
5.6.2. Фотоэффект: его виды и законы 297
5.6.3. Давление излучения 299
5.6.4. Эффект Комптона 300
5.6.5. Корпускулярно-волновая двойственность свойств электромагнитного излучения 301
6. Элементы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел
6.1. Теория атома водорода по Бору
6.1.1. Модели атома 302
6.1.2. Линейчатый спектр атома водорода 302
6.1.3. Постулаты Бора. Спектр атома водорода по Бору 303
6.1.4. Экспериментальное подтверждение квантования энергетических уровней атомов 306
6.2. Элементы квантовой механики
6.2.1. Гипотеза де Бройля. Волны де Бройля 307
6.2.2. Соотношение неопределенностей Гейзенберга 310
6.2.3. Волновая функция и ее статистический смысл 311
6.2.4. Временное и стационарное уравнения Шредингера 312
6.2.5. Операторы в квантовой механике и их свойства 313
6.2.6. Операторы важнейших физических величин 315
6.2.7. Движение свободной частицы 317
6.2.8. Частица в одномерной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками 318
6.2.9. Отражение и прохождение сквозь прямоугольный потенциальный порог 319
6.2.10. Потенциальный барьер конечной ширины. Туннельный эффект 322
6.2.11. Линейный гармонический осциллятор 325
6.3. Элементы современной физики атомов и молекул
6.3.1. Атом водорода в квантовой механике 327
6.3.2. ls-состояние электрона в атоме водорода 331
6.3.3. Спин электрона. Спиновое квантовое число 332
6.3.4. Атом во внешнем магнитном поле 333
6.3.5. Системы тождественных частиц 335
6.3.6. Принцип Паули 336
6.3.7. Рентгеновские спектры 338
6.3.8. Молекулы: энергия и спектры 340
6.3.9. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение 342
6.3.10. Оптические квантовые генераторы (лазеры) 343
6.4. Элементы физики твердого тела
6.4.1. Понятие о зонной теории твердых тел 346
6.4.2. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории 347
6.4.3. Собственная проводимость полупроводников 348
6.4.4. Примесная проводимость полупроводников 350
6.4.5. Фотопроводимость полупроводников 352
6.4.6. Люминесценция твердых тел 353
6.4.7. Контакт двух металлов по зонной теории 355
6.4.8. Термоэлектрические явления и их применение 356
6.4.9. Выпрямление на контакте металл—полупроводник 358
6.4.10. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход) 360
6.4.11. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) 362
7. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
7.1. Элементы физики атомного ядра
7.1.1. Основные характеристики и свойства атомных ядер 365
7.1.2. Энергия связи ядра. Спин ядра и магнитный момент 366
7.1.3. Ядерные силы. Модели ядра 368
7.1.4. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада 369
7.1.5. Правила смещения. Радиоактивные семейства 371
7.1.6. Закономерности радиоактивных процессов 373
7.1.7. Методы наблюдения радиоактивных излучений и частиц 378
7.1.8. Ядерные реакции и их основные типы 382
7.2. Элементы физики элементарных частиц
7.2.1. Космическое излучение 387
7.2.2. Мюоны и мезоны 388
7.2.3. Фундаментальные взаимодействия в природе 389
7.2.4. Частицы и античастицы 389
7.2.5. Лептоны и их описание 390
7.2.6. Адроны и их описание 392
7.2.7. Классификация элементарных частиц 394
7.2.8. Кварки 395
Приложения
1. Основные физические величины 397
2. Диапазоны различных физических величин 398
3. Основные законы и формулы 399
4. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева 410
5. Последние (самые, самые...) достижения науки и техники к концу XX века 411
Предметный указатель 413.