Курс физики, 11-е издание, Трофимова Т.И., 2006

Курс физики, 11-е издание, Трофимова Т.И., 2006.
    Учебное пособие (9-е издание, переработанное и дополненное, 2004 г.) состоит из семи частей, в которых изложены физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Рационально решен вопрос об объединении механических и электромагнитных колебаний. Установлена логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.
Для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.
ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕМАТИКИ.
Механика — часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение — это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.
Развитие механики как науки начинается с III в. до н.э., когда древнегреческий ученый Архимед (287 — 212 до н.э.) сформулирован закон равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564-1642) и окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном (1643—1727).
Механика Галилея — Ньютона называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света с в вакууме. Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью с, изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной А. Эйнштейном (1879—1955). Для описания движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики неприменимы — они заменяются законами квантовой механики.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 2
Введение 2
Предмет физики и ее связь с другими науками 2
Единицы физических величин 3
1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ 4
Глава 1 Элементы кинематики 4
§ 1. Модели в механике. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения 4
§ 2. Скорость 6
§ 3. Ускорение и его составляющие 7
§ 4. Угловая скорость и угловое ускорение 9
Глава 2 Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела 11
§ 5. Первый закон Ньютона. Масса. Сила 11
§ 6. Второй закон Ньютона 11
§ 7. Третий закон Ньютона 13
§ 8. Силы трения 13
§ 9. Закон сохранения импульса. Центр масс 14
§ 10. Уравнение движения тела переменной массы 16
Глава 3 Работа и энергия 17
§11. Энергия, работа, мощность 17
§ 12. Кинетическая и потенциальная энергии 18
§ 13. Закон сохранения энергии 20
§ 14. Графическом представление энергии 22
§ 15. Удар абсолютно упругих и неупругих тел 23
Глава 4 Механика твердого тела 27
§ 16. Момент инерции 27
§ 17. Кинетическая энергия вращения 28
§ 18. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела 28
§ 19. Момент импульса и закон то сохранения 29
§ 20. Свободные оси. Гироскоп 32
§ 21. Деформации твердого тела 34
Глава 5 Тяготение. Элементы теории поля 36
§ 22. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения 36
§ 23. Сила тяжести и вес. Невесомость 37
§ 24. Поле тяготения и то напряженность 38
§ 25. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения 38
§ 26. Космические скорости 40
§ 27. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции 40
Глава 6 Элементы механики жидкостей 44
§ 28. Давление в жидкости и газе 44
§ 29. Уравнение неразрывности 45
§ 30. Уравнение Бернулли и следствия из него 46
§ 31. Вязкость (внутреннее трение). Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей 48
§ 32. Методы определения вязкости 50
§ 33. Движение тел в жидкостях и газах 51
Глава 7 Элементы специальной (частной) теории относительности 53
§ 34. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности 53
§ 35. Постулаты специальной (частной) теории относительности 54
§ 36. Преобразования Лоренца 55
§ 37. Следствия из преобразований Лоренца 56
§ 38. Интервал между событиями 59
§ 39. Основной закон релятивистской динамики материальной точки 60
§ 40. Закон взаимосвязи массы и энергии 61
2 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 63
Глава 8 Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов 63
§ 41. Статистический и термодинамический методы. Опытные законы идеального газа 63
§ 42. Уравнение Клапейрона — Менделеева 66
§ 43. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов 67
§ 44. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения 69
§ 45. Барометрическая формула. Распределение Больцмана 71
§ 46. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул 72
§ 47. Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории 73
§ 48. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах 74
§ 48. Вакуум и методы его получения. Свойства ультраразреженных газов 76
Глава 9 Основы термодинамики 78
§ 50. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул 78
§ 51. Первое начало термодинамики 79
§ 52. Работа газа при изменении его объема 80
§ 53. Теплоемкость 81
§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам 82
§ 55. Адиабатический процесс. Политропный процесс 84
§ 56. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы 86
§ 57. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью 87
§ 58. Второе начало термодинамики 89
§ 59. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. п. д. для идеального газа 90
Задачи 92
Глава 10 Реальные газы, жидкости и твердые тела 93
§ 60. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия 93
§ 61. Уравнение Ван-дер-Ваальса 94
§ 62. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ 95
§ 63. Внутренняя энергия реального газа 97
§ 64. Эффект Джоуля — Томсона 98
§ 65. Сжижение газов 99
§ 66. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение 100
§ 67. Смачивание 102
§ 68. Давление под искривленной поверхностью жидкости 103
§ 69. Капиллярные явления 104
§ 70. Твердые тела. Моно- и поликристаллы 104
§ 71. Типы кристаллических твердых тел 105
§ 72. Дефекты в кристаллах 109
§ 73. Теплоемкость твердых тел 110
§ 74. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Аморфные тела 111
§ 75. Фазовые переходы I и П рода 113
§ 76. Диаграмма состояния. Тройная точка 114
Задачи 115
3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 116
Глава 11 Электростатика 116
§ 77. Закон сохранения электрического заряда 116
§ 78. Закон Кулона 117
§ 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля 117
§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя 119
§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме 120
§ 82. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме 122
§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля 124
§ 84. Потенциал электростатического поля 125
§ 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности 126
§ 86. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля 127
§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков 128
§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике 129
§ 88. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике 130
§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред 131
§ 91. Сегнетоэлектрики 132
§ 92. Проводники в электростатическом поле 134
§ 93. Электрическая емкость уединенного проводника 136
§ 94. Конденсаторы 136
§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля 138
Задачи 140
Глава 12 Постоянный электрический ток 141
§ 96. Электрический ток, сила и плотность тока 141
§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение 142
§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников 143
§ 99. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца 144
§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи 145
§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей 146
Задачи 148
Глава 13 Электрические токи в металлах, вакууме и газах 148
§ 102. Элементарная классическая теория электропроводности металлов 148
§ 103. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов 149
§ 104. Работа выхода электронов из металла 151
§ 105. Эмиссионные явления и их применение 152
§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд 154
§ 107. Самостоятельный газовый разряд и его типы 155
§ 108. Плазма и ее свойства 158
Задачи 159
Глава 14 Магнитное поле 159
§ 109. Магнитное поле и его характеристики 159
§ 110. Закон Био — Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поля 162
§ 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов 163
§ 112. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля 164
§ 113. Магнитное поле движущегося заряда 165
§ 114. Действие магнитного поля на движущийся заряд 166
§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле 166
§ 116. Ускорители заряженных частиц 167
§ 117. Эффект Холла 169
§ 118. Циркуляция вектора В магнитного поля в вакууме 169
§ 119. Магнитные поля соленоида и тороида 171
§ 120. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В 172
§ 121. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле 172
Задачи 174
Глава 15 Электромагнитная индукция 174
§122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея) 174
§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии 175
§ 124. Вращение рамки в магнитном поле 177
§ 125. Вихревые токи (токи Фуко) 177
§ 126. Индуктивность контура. Самоиндукция 178
§ 127. Токи при размыкании и замыкании цепи 179
§ 128. Взаимная индукция 181
§ 129. Трансформаторы 182
§ 130. Энергия магнитного поля 183
Глава 16 Магнитные свойства вещества 184
§ 131. Магнитные моменты электронов и атомов 184
§ 132. Диа- и парамагнетизм 186
§ 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществе 187
§ 134. Условия на границе раздела двух магнетиков 189
§ 135. Ферромагнетики и их свойства 190
§ 136. Природа ферромагнетизма 191
Глава 17 Основы теории Максвелла для электромагнитного поля 193
§ 137. Вихревое электрическое поле 193
§ 138. Ток смещения 194
§ 139. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля 196
4 КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 198
Глава 18 Механические и электромагнитные колебания 198
§ 140. Гармонические колебания и их характеристики 198
§ 141. Механические гармонические колебания 200
§ 142. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники 201
§ 143. Свободные гармонические колебания в колебательном контуре 203
§ 144. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения 205
§ 145. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний 206
§ 146. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания 208
§ 147. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение 211
§ 148. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний (механических и электромагнитных). Резонанс 213
§ 148. Переменный ток 215
§ 150. Резонанс напряжений 217
§ 151. Резонанс токов 218
§ 152. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока 219
Глава 19 Упругие волны 221
§ 153. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны 221
§ 154. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение 222
§ 155. Принцип суперпозиции. Групповая скорость 223
§ 156. Интерференция волн 224
§ 157. Стоячие волны 225
§ 158. Звуковые волны 227
S 159. Эффект Доплере в акустике 228
§ 160. Ультразвук и его применение 229
Глава 20 Электромагнитные волны 230
§ 161. Экспериментальное получение электромагнитных волн 230
§ 162. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны 232
§ 163. Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля 233
§ 164. Излучение диполя. Применение электромагнитных волн 234
5 ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ 236
Глава 21 Элементы геометрической и электронной оптики 236
§ 165. Основные законы оптики. Полное отражение 236
§ 166. Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз 238
§ 187. Аберрации (погрешности) оптических систем 241
§ 168. Основные фотометрические величины и их единицы 242
§ 189. Элементы электронной оптики 243
Глава 22 Интерференция света 245
§ 170. Развитие представлений о природе света 245
§ 171. Когерентность и монохроматичность световых волн 248
§ 172. Интерференция света 249
§ 173. Методы наблюдения интерференции света 250
§ 174. Интерференция света в тонких пленках 252
§ 175. Применение интерференции света 254
Глава 23 Дифракция света 257
§ 176. Принцип Гюйгенса — Френеля 257
§ 177. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света 258
§ 178. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске 260
§ 178. Дифракция Фраунгофера на одной щели 261
§ 180. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке 263
§ 181. Пространственная решетка. Рассеяние света 265
§ 182. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа — Брэггов 266
§ 183. Разрешающая способность оптических приборов 267
§ 184. Понятие о голографии 268
Глава 24 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 270
§ 185. Дисперсия света 270
§ 186. Электронная теория дисперсии светя 271
§ 187. Поглощение (абсорбция) света 273
§ 188. Эффект Доплера 274
§ 189. Излучение Вавилова — Черенкова 275
Глава 25 Поляризация света 276
§ 190. Естественный и поляризованный свет 276
§ 191. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков 278
§ 192. Двойное лучепреломление 279
§ 193. Поляризационные призмы и поляроиды 280
§ 194. Анализ поляризованного света 282
§ 195. Искусственная оптическая анизотропия 283
§ 196. Вращение плоскости поляризации 284
Глава 26 Квантовая природа излучения 285
§ 197. Тепловое излучение и его характеристики 285
§ 188. Закон Кирхгофа 287
§ 199. Законы Стефана — Больцмана и смещения Вина 288
§ 200. Формулы Рэлея — Джинса и Планка 288
§ 201. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света 291
§ 202. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта 292
§ 203. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света 294
§ 204. Применение фотоэффекта 296
§ 205. Масса и импульс фотона. Давление света 297
§ 206. Эффект Комптона и его элементарная теория 298
§ 207. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения 299
6 ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ 300
Глава 27 Теория атома водорода по Бору 300
§ 208. Модели атома Томсона и Резерфорда 300
§ 209. Линейчатый спектр атома водорода 301
§ 210. Постулаты Бора 302
§ 211. Опыты Франка и Герца 303
§ 212. Спектр атома водорода по Бору 304
Глава 28 Элементы квантовой механики 306
§ 213. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества 306
§ 214. Некоторые свойства волн да Бройля 308
§ 215. Соотношение неопределенностей 308
§ 216. Волновая функция и ее статистический смысл 311
§ 217. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний 312
§ 218. Принцип причинности в квинтовой механике 314
§ 219. Движение свободной частицы 314
§ 220. Частице в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками» 315
§ 221. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект 317
§ 222. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике 320
Глава 29 Элементы современной физики атомов и молекул 321
§ 223. Атом водорода в квантовой механике 321
§ 224. 1s-Состояние электрона в атоме водорода 324
§ 225. Спин электрона. Спиновое квантовое число 325
§ 226. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны 326
§ 227. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям 327
§ 228. Периодическая система элементов Менделеева 328
§ 229. Рентгеновские спектры 330
§ 230. Молекулы: химические связи, понятие об энергетических уровнях 332
§ 231. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света 333
§ 232. Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучения 334
§ 233. Оптические квантовые генераторы (лазеры) 335
Глава 30 Элементы квантовой статистики 338
§ 234. Квантовая статистика. Фазовое пространство. Функция распределения 338
§ 235. Понятие о квантовой статистике Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака 339
§ 236. Вырожденный электронный газ в металлах 340
§ 237. Понятие о квантовой теории теплоемкости. Фононы 341
§ 238. Выводы квантовой теории электропроводности металлов 342
§ 239. Сверхпроводимость. Понятие об эффекте Джозефсона 343
Глава 31 Элементы физики твердого тела 345
§ 240. Понятие о зонной теории твердых тел 345
§ 241. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории 346
§ 242. Собственная проводимость полупроводников 347
§ 243. Примесная проводимость полупроводников 350
§ 244. Фотопроводимость полупроводников 352
§ 245. Люминесценция твердых тел 353
§ 246. Контакт двух металлов по зонной теории 355
§ 247. Термоэлектрические явления и их применение 356
§ 248. Выпрямление на контакте металл — полупроводник 358
§ 249. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход) 360
§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) 362
7 ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 364
Глава 32 Элементы физики атомного ядра 364
§ 251. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа 364
§ 252. Дефект массы и энергия связи ядра 365
§ 253. Спин ядра и его магнитный момент 366
§ 254. Ядерные силы. Модели ядра 367
§ 255. Радиоактивное излучение и его виды 368
§ 256. Закон радиоактивного распада. Правила смещения 369
§ 257. Закономерности ?-распада 370
§ 258. Распад. Нейтрино 372
§ 259. Гамма-излучение и его свойства 373
§ 260. Резонансное поглощение ?-излучения (эффект Мёссбауэра*) 375
§ 261. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц 376
§ 262. Ядерные реакции и их основные типы 379
§ 263. Позитрон. Распад. Электронный захват 381
§ 264. Открытие нейтрона. Ядерные реакции под действием нейтронов 382
§ 265. Реакция деления ядра 383
§ 266. Цепная реакция деления 385
§ 267. Понятие о ядерной энергетике 386
§ 268. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций 388
Глава 33 Элементы физики элементарных частиц 390
§ 269. Космическое излучение 390
§ 270. Мюоны и их свойства 391
§ 271. Мезоны и их свойства 392
§ 272. Типы взаимодействий элементарных частиц 393
§ 273. Частицы и античастицы 394
§ 274. Гипероны. Странность и четность элементарных частиц 396
§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки 397
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 400
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ 402
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 413.