Начала физики, Павленко Ю.Г., 2007

Начала физики, Павленко Ю.Г., 2007.
    В основу учебника положены материалы лекций, которые в течение ряда лет читались учащимся физико-математической школы им. А.Н. Колмогорова при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова. В нем подробно изложен теоретический материал по всем темам программы физики средней школы, а также приведены решения более 450 примеров и задач.
Достаточно полно обсуждаются разделы программы, которые, как показала практика преподавания в школе им. А.Н. Колмогорова и приемных экзаменов на естественные факультеты МГУ, наиболее сложны для учащихся.
Цель книги — помочь освоить материал программы, научить активно применять теоретические основы физики как рабочий аппарат, позволяющий решать конкретные задачи, и приобрести уверенность в самостоятельной работе.
Учебник предназначен для учащихся средних школ, лицеев, гимназий, преподавателей и абитуриентов.
Скаляры и векторы в евклидовом пространстве.
Физика, как и любая другая наука естествознания, основывается на наблюдениях. При описании различных явлений физики вынуждены вводить новые понятия. Следующий этап научного исследования — поиск причинно-следственных связей, т.е. закономерностей, лежащих в основе явления. Высшая ступень познания - математическая формулировка закона природы.
Какие же основные понятия математики используются в физике? В школьном курсе достаточно использовать объекты двух типов. Величины первого типа определяются только своими числовыми значениями в соответствующей системе единиц — их называют скалярами. Например, число молекул в некотором объеме, масса, температура, работа, энергия, путь, пройденный телом, плотность являются скалярами. Величины второго типа характеризуются числовым значением и направлением в пространстве — это векторы. Сила, перемещение, скорость, ускорение, напряженность электрического и магнитного полей являются векторами. Векторы изображаются в виде направленных отрезков (стрелок). Стрелка указывает направление вектора, а длина стрелки дает числовое значение вектора в выбранном масштабе. Определим теперь понятия системы координат и вектора.
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ 12
Часть I. МЕХАНИКА
Глава 1. Элементы математического анализа 15
1.1. Скаляры и векторы в евклидовом пространстве 15
1.2. Скалярное и векторное произведения 22
1.3. Производная и интеграл 24
Глава 2. Кинематика 29
2.1. Скорость частицы 29
2.2. Ускорение частицы 34
2.3. Путь, пройденный частицей 36
2.4. Движение по окружности 38
Глава 3. Движение частицы с постоянными скоростью или ускорением 40
3.1. Движение частицы с постоянной скоростью 40
3.2. Прямолинейное движение с постоянным ускорением 44
3.3. Свободное падение 46
3.4. Криволинейное движение с постоянным ускорением 49
3.5 Относительное движение 53
Глава 4. Законы Ньютона 57
4.1. Первый закон Ньютона 58
4.2. Второй закон Ньютона 59
4.3. Третий закон Ньютона 61
4.4. Активные силы и силы реакции 61
4.5. Общий метод решения задач по теме «Законы Ньютона» 64
Глава 5. Законы изменения и сохранения импульса системы частиц 76
5.1. Импульс системы тел 76
5.2. Центр масс системы частиц 76
5.3. Закон изменения импульса системы частиц 77
5.4. Движение тела переменной массы 78
5.5. Закон сохранения импульса системы частиц 80
Глава 6. Законы изменения и сохранения полной энергии системы частиц 85
6.1. Работа силы 85
6.2. Мощность, развиваемая силой 86
6.3. Работа сил тяжести и упругости 88
6.4. Потенциальная энергия 89
6.5. Теорема об изменении кинетической энергии 91
6.6. Закон изменения полной энергии 92
6.7. Закон сохранения полной энергии 96
6.8. Столкновение тел 100
6.9. Закон сохранения полной энергии в системе центра масс 104
Глава 7. Движение частицы по окружности 107
7.1. Уравнения движения частицы по окружности 107
Глава 8. Закон всемирного тяготения 115
8.1. Открытие Солнечной системы 115
8.2. Наша Галактика и Вселенная 119
8.3. Закон всемирного тяготения 122
8.4. Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия частиц 122
8.5. Спутник на круговой орбите 124
8.6. Движение спутника по эллиптической орбите 126
8.7. Возмущенное движение спутника 129
8.8. Вторая космическая скорость 132
8.9. Третья космическая скорость 133
8.10. Четвертая космическая скорость 133
Глава 9. Космические исследования 134
9.1. Орбитальные полеты 134
9.2. Системы космической связи 136
9.3. Навигационные и геодезические спутники 136
9.4. Космическое землеведение 137
9.5 Исследовательские спутники 139
9.6. Исследования Луны 140
9.7. Полеты к ближним планетам 143
9.8. Исследования внешних планет 148
9.9. Космический вояж 149
9.10. Свидание с Эросом 153
9.11. Изучение комет 154
9.12. Космическая катастрофа в Солнечной системе 155
9.13. Ядерный щит Земли 155
9.14. Встреча с Леонидами 156
9.15. Наша планета — Земля 156
Глава 10. Статика 157
10.1. Первое условие равновесия твердого тела 158
10.2. Второе условие равновесия твердого тела 158
10.3. Равнодействующая сила 160
10.4. Центр тяжести твердого тела 160
10.5. Теория волока 170
10.6. Потенциальная энергия и момент силы 171
10.7. Критерий устойчивости положения равновесия консервативной системы 172
Глава 11. Движение в неинерциальных системах отсчета 173
11.1. Принцип относительности Галилея 173
11.2. Силы инерции в поступательно движущейся системе отсчета 174
11.3. Силы инерции во вращающейся системе отсчета 176
11.4. Силы инерции на Земле ~ 177
Глава 12. Линейные колебания 178
12.1 Одномерные свободные колебания 178
12.2. Вынужденные колебания 185
Тест. Тест? Тест! 187
Часть II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА
Глава 1. А томно-молекулярная теория строения вещества 189
1.1. Основные положения атомно-молекулярной теории строения вещества 189
1.2. Взаимодействие атомов и молекул 194
1.3. Тепловое движение атомов и молекул 197
1.4. Агрегатные состояния вещества 198
Глава 2. Тепловое равновесие. Температура 198
2.1. Статистические закономерности 198
2 2. Тепловое равновесие 199
2.3. Свойства равновесного состояния
2.4. Температура 200
2.5. Измерение температуры
2.6. Уравнение состояния 202
2.7. Среднеквадратичная скорость 203
2.8. Флуктуации 204
Глава 3. Идеальный газ. Термодинамические процессы 205
3.1 Разреженный и идеальный газы 205
3.2. Уравнение состояния идеального газа 206
3.3. Закон Дальтона 209
3.4. Проблемы дыхания на больших высотах и глубинах 210
3.5. Осмотическое давление 211
3.6. Термодинамические процессы и газовые законы 212
3.7. Общий метод решения задач по теме «Газовые законы» и «Процессы» 215
3.8. Уравнение состояния неидеального газа 219
Глава 4. Первый закон термодинамики 219
4.1. Внутренняя энергия 220
4.2. Первый закон термодинамики 220
4.3. Термодинамическая работа 221
4.4. Количество теплоты 223
4.5. Теплоемкость 223
4.6. Первый закон термодинамики и процессы 226
4.7. Теплоемкость жидкостей и твердых тел 228
4.8. Передачи теплоты 229
4.9. Парниковый эффект 231
4:10. Метаболизм 232
4.11. Теплоотдача организма 232
Глава 5. Фазовые переходы вещества 233
5.1. Агрегатные состояния и фазы вещества 233
5.2. Плавление и кристаллизация 234
5.3. Испарение 237
5.4. Насыщенный пар 237
5.5. Конденсация 238
5.6. Кипение 239
5.7 Перегретая жидкость 241
5.8. Фазовые диаграммы 242
5.9. Изотермы фазовых переходов 245
5.10. Замедление фазовых переходов 247
Глава 6. Влажность воздуха 247
6.1 Абсолютная и относительная влажность 247
6.2 Точка росы 248
6.3. Камера Вильсона 249
6.4. Потеря воды при дыхании 250
Глава 7. Поверхностное натяжение 251
7.1 Коэффициент поверхностного натяжения 251
7.2. Поверхностное давление 252
7.3. Смачивание 253
Глава 8. Тепловые двигатели 254
8.1. Обратимый процесс 254
8.2. Второй закон термодинамики 254
8.3. Условия работы теплового двигателя 255
8.4. Цикл Карно 255
8.5. Коэффициент полезного действия 256
8.6. Паровые двигатели 258
8.7. Циклы Отто, Дизеля и Стирлинга 259
8.8. Тепловое загрязнение окружающей среды 260
8.9. Холодильная машина 261
8.10. Тепловой насос 262
Часть III. МЕХАНИКА СПЛОШНЫХ СРЕД
Глава 1. Аэростатика и гидростатика 263
1.1. Объемные и поверхностные силы 263
1.2. Закон Паскаля 264
1.3. Гидравлический пресс 265
1.4. Атмосферное давление 265
1.5. Условие равновесия жидкости и газа 267
1.6. Гидростатическое давление 267
1.7. Закон Архимеда 270
1.8. Условие плавания тела 272
1.9. Воздушные шары и дирижабли 274
1.10. Почему «плавают» облака? 276
Глава 2. Капиллярные явления 277
2.1. Условие равновесия жидкости в тонкой трубке 277
Глава 3. Деформация твердых тел. Тепловое расширение 279
3.1. Внутреннее напряжение 279
3.2. Деформация 280
3.3. Закон Гука 280
3.4. Поперечная деформация 283
3.5. Диаграмма деформации. 284
3.6. Деформация при изменении температуры 286
3.7. Сплавы, запоминающие форму 287
Глава 4. Установившееся движение сплошной среды 288
4.1. Закон Бернулли 288
4.2. Уравнение непрерывности 289
4.3. Ветродвигатель 290
4.4. Адиабатическое движение воздуха с постоянной скоростью 291
4.5. Устойчивость атмосферы 292
4.6. Местные ветры — фен и чинук 295
4.7. Подъемная сила 296
Глава 5. Волновое движение в среде. Звук 297
5.1. Волны в упругой среде 297
5.2. Звук в воздухе 298
5.3. Взрыв 299
5.4. Образование ударной волны 299
5.5. Звуковые волны в трубах 300
5.6. Спектральный анализ звука 303
5.7. Белы и децибелы 305
5.8. Слышимый звук 305
5.9. Музыкальные звуки 306
5.10. Волны на воде 308
5.11. Пульсовая волна 309
Часть IV. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Глава 1. Электростатика 310
1.1. Закон Кулона 310
1.2. Электростатическое поле. Напряженность и потенциал поля 315
1.3. Закон Гаусса 325
1.4. Проводники в электрическом поле 328
1.5. Диэлектрики в электрическом поле 333
1.6. Электрическая емкость. Конденсатор 335
1.7. Энергия электрического поля 337
1.8. Электрическая схема, содержащая конденсаторы 339
Тест. Тест? Тест! 345
Глава 2. Постоянный ток 346
2.1. Закон Ома 346
2.2. Электрохимический элемент. Закон Ома для полной цепи 356
2.3. Правила расчета схем, содержащих резисторы, конденсаторы и источники напряжения 365
2.4. Тепловое действие тока 368
Тест. Тест? Тест! 374
Глава 3. Магнитное поле 376
3.1. Магнитная индукция. Силы Лоренца и Ампера 377
3.2. Магнитное поле постоянного тока. Закон Био-Савара 385
3.3. Закон Максвелла-Ампера 390
3.4. Поток электромагнитной энергии в электрической цепи 392
Глава 4. Магнитные свойства вещества 395
4.1. Магнитный момент 395
4.2. Диамагнетики и парамагнетики 396
4.3. Ферромагнетики 397
Глава 5. Электрический ток в различных средах 400
5.1. Сверхпроводимость 400
5.2. Электрический ток в электролитах 402
5.3. Электрический ток в вакууме. Диод. Триод 405
5.4. Электрический ток в газах 413
5.5. Молния 423
Глава 6. Полупроводниковые приборы 425
6.1. Электрический ток в полупроводниках 425
6.2. Полупроводниковый диод 428
6.3. Транзистор 430
6.4. Необъятные горизонты микроэлектроники 433
6.5. Компьютер — инструмент познания 439
Глава 7. Электромагнитная индукция 441
7.1. Открытие Фарадея 441
7.2. Поток магнитной индукции 442
7.3. Универсальный закон электромагнитной индукции 442
7.4. Электрический двигатель и генератор 449
7.5. Индуктивность. Самоиндукция 452
7.6. Переходной процесс в RL-цетт 456
7.7. Взаимная индуктивность 459
Глава 8. Электромагнитные колебания 460
8.1. Свободные электромагнитные колебания 460
8.2. Генераторы электромагнитных колебаний 466
8.3. Вынужденные колебания в последовательном контуре 468
8.4. Трансформатор 472
8.5. Вынужденные колебания в параллельном контуре 475
8.6. Трехфазный ток 478
8.7. Трехфазный асинхронный двигатель 480
Тест. Тест? Тест! 483
Глава 9. Электромагнитные волны 484
9.1. Основы теории электромагнитных волн 484
9.2. Эффект Доплера 493
9.3. Радио и телевидение 495
9.4. Интерференция 501
9.5. Интерференция при отражении от металлической поверхности 505
9.6. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля 509
9.7. Дифракция 510
9.8. Дифракционная решетка 514
Часть V. ОПТИКА
Глава 1. Законы геометрической оптики 517
1.1. Геометрическая оптика 517
1.2. Отражение и преломление света 519
1.3. Радуга и глория 529
Глава 2. Формирование оптического изображения 531
2.1. Оптическое изображение 531
2.2. Тонкие линзы 535
2.3. Оптические системы 543
2.4. Оптические приборы 550
Тест. Тест? Тест! 562
Часть VI. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Глава 1. Основы теории относительности 563
1.1. Принцип относительности Эйнштейна 563
1.2. Преобразование Лоренца 565
1.3. Релятивистские импульс и энергия 575
1.4. Масса системы частиц 577
1.5. Рождение новых частиц 578
1.6. Релятивистская динамика 582
Тест. Тест? Тест! 584
Часть VII. АТОМНАЯ ФИЗИКА 586
Глава 1. Начало квантовой механики 586
1.1. Открытие квантовой физики 586
1.2. Фотон, фотоэффект 589
1.3. Планетарная модель атома 592
1.4. Первая квантовая теория атома — атом Бора 593
1.5. Развитие квантовой механики 597
Глава 2. Прикладная атомная физика 600
2.1. Спектры испускания и поглощения 600
2.2. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) 601
2.3. Лазеры 602
2.4. Применение лазеров 606
Часть VIII. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Глава 1. Открытие радиоактивных элементов и элементарных частиц 610
1.1. Открытие радиоактивных элементов 610
1.2. Радиоактивный распад атомных ядер 613
1.3. Реакции деления тяжелых ядер 617
Глава 2. Ядерная энергетика 619
2.1. Цепная реакция деления 619
2.2. Ядерные реакторы 620
2.3. Термоядерные реакции 627
2.4. Биологические эффекты радиации 629
2.5. Ядерное и термоядерное оружие 631
Часть IX. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Глава 1. Мир элементарных частиц 634
1.1. Космические лучи 634
1.2. Открытие мюонов и пионов 636
1.3. Нейтрино 638
1.4. Физика высоких энергий 642
1.5. Классификация частиц и взаимодействий 644
1.6. Открытие странных частиц 646
1.7. Симметрия слабых взаимодействий 648
Глава 2. Кварковая модель строения вещества 650
2.1. Кварки 650
2.2. Квантовая хромодинамика (КХД) 654
2.3. В поисках единой теории 657
Дополнение I. МЕХАНИКА
Глава 1. Элементы математического анализа 664
1.4. Прямая и плоскость в пространстве 664
1.5. Элементарные дифференциальные уравнения 667
Глава 4. Законы Ньютона 671
Глава 5. Законы изменения и сохранения импульса системы частиц 672
Глава 6. Законы изменения и сохранения полной энергии системы частиц 673
Глава 8. Закон всемирного тяготения 673
Глава 10. Статика 674
Глава 11. Движение в неинерциальных системах отсчета 677
11.2. Силы инерции в поступательно движущейся системе отсчета 677
11.4. Силы инерции на Земле 681
11.5. «Гравитационный удар» как способ изменения
гелиоцентрической скорости 682
Глава 12. Линейные колебания 684
Глава 13. Движение твердого тела , 685
13.1. Кинематика твердого тела 685
13.2. Динамические переменные твердого тела 688
13.3. Уравнения движения твердого тела 689
13.4. Движение твердого тела вокруг неподвижной оси 690
13.5. Плоско параллельное движение твердого тела 692
13.6. Быстрый волчок 694
13.7. Гироскоп 695
Дополнение II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА
Глава 2. Тепловое равновесие. Температура 698
Глава 5. Фазовые переходы вещества 699
5.П. Равновесие фаз растворителя 699
Глава 8. Тепловые двигатели 700
Глава 9. Энтропия 701
9.1. Количество теплоты и приращение энтропии 701
9.2. Энтропия 702
9.3. Энтропия и вероятность 705
9.4. Третий закон термодинамики 706
9.5. Открытые системы 707
9.6. Биологическая эволюция 707
9.7. Геном человека 710
9.8. Проблемы биотехнологии 712
Дополнение III. МЕХАНИКА СПЛОШНЫХ СРЕД
Глава 1. Аэростатика и гидростатика 714
1.11. Лунные приливы 714
Глава 2. Капиллярные явления 715
2.2. Давление пара над мениском 715
Глава 4. Установившееся движение сплошной среды 716
Глава 5. Волновое движение в среде. Звук 719
5.5. Звуковые волны в трубах 719
5.12. Летучие локаторы 721
Дополнение IV. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Глава 1. Электростатика 724
1.1. Закон Кулона 724
1.4. Проводники в электрическом поле 724
1.5. Диэлектрики в электростатическом поле 726
Глава 3. Магнитное поле 729
3.1. Магнитная индукция. Силы Лоренца и Ампера 729
3.3. Закон Максвелла-Ампера 731
Глава 4. Магнитные свойства вещества 732
4.1. Диамагнетики и парамагнетики 732
Глава 5. Электрический ток в различных средах 735
Глава 7. Электромагнитная индукция 737
7.3. Универсальный закон электромагнитной индукции 737
7.5. Индуктивность. Самоиндукция 740
7.8. Электромеханика 741
Глава 8. Электромагнитные колебания 750
8.2. Генераторы электромагнитных колебаний 750
8.3. Вынужденные колебания в последовательном контуре 753
8.8. Представление уравнений Кирхгофа в комплексной форме 753
Глава 9. Электромагнитные волны 760
9.1. Основы теории электромагнитных волн 760
9.4, Интерференция 762
9.7, Дифракция 763
Дополнение V. ОПТИКА
Глава 1. Законы геометрической оптики 768
1.2, Отражение и преломление света 768
1.4. Отражение и преломление в анизотропной среде 769
Глава 3. Основы голографии 776
3.1. Голография 776
3.2. Радар бокового обзора 780
Дополнение VI. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Глава 2. Релятивистская динамика 785
2.1. Преобразование Лоренца электромагнитного поля 785
Глава 3. Ускорители заряженных частиц 787
3.1. Множественные процессы 787
3.2. Циклотрон 787
3.3. Бетатрон 788
3.4. Автофазировка 789
3.5. Электронный синхротрон 790
3.6. Фазотрон (синхроциклотрон) 791
3.7. Синхрофазотрон 791
3.8. Жесткая фокусировка 792
3.9. Ускорители на встречных пучках 792
3.10. Накопительные кольца 793
Глава 4. Эффекты теории относительности в электродинамике 794
4.1. Электродинамика движущихся сред 794
4.2. Преобразование поляризации и намагниченности 797
4.3. Материальные уравнения в движущейся среде 797
4.4. Излучение релятивистских частиц 799
4.5. Синхротронное излучение 803
4.6. Ондуляторное излучение 806
4.7. Черенковское излучение 807
Глава 5. Общая теория относительности 808
5.1. Гравитационная и инертная массы 809
5.2. Принцип эквивалентности 809
5.3. Основные идеи теории тяготения 810
5.4. Проверка теории Эйнштейна 811
Дополнение VII. АТОМНАЯ ФИЗИКА
Глава 1. Атомная физика 813
1.6. «Парадоксы» квантовой физики 813
1.7. Квантовая электродинамика 816
Глава 2. Прикладная атомная физика 818
2.4. Квантовая теория вещества 818
2.5. Квантовая жидкость — жидкий гелий 820
Ответы, указания, решения 824
Вопросы и блиц-ответы 832
Справочные данные 842
Предметный указатель 844
Что читать? 858.