СОРОК ЧЕТЫРЕ

ЛЕКЦИИ

ПО ФИЗИКЕ

Санкт-Петербург

2003

УДК 53

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, проф. А.В.Тюхтин

(С.-Петербургский гос. университет)

ББК 22.3 д-р физ.-мат. наук, в.н.с. Г.Н.Крылов

0 35 (С.-Петербургский гос. университет)

Под редакцией доктора физико-математических наук, профессора А.О.Овчинникова

Авторский коллектив:

Федорова. Г.М. — лекции ХЧ, 3, 4, в, 7, 10; Овчинников А.О. — лекции №2,5,8,11, 13,28,30,31,36,38 - 41,43,44; Павловская Н.А. — лекции №9, 32-35, 37; Островская Н.С. — лекции ХН2, 14, 25-27, 29, 42; Варюдин Л.Э. — лекции Jf'15-18; Вахарева Н.П. — лекции Х'19-24.

В лекциях представлены все основные разделы и темы кур­са общей физики от классической механики до современных теорий элементарных частиц, физического вакуума, строе­ния и эволюции Вселенной. Основное внимание в работе уделяется наиболее общим фундаментальным законам физи­ки, которые иллюстрируются различными их приложения­ми. Лекции предназначены для студентов дневного и заоч­ного отделений вузов. Они могут быть использованы обуча­ющимися как на инженерных, так и неинженерных факуль­тетах. Для неинженерных факультетов часть материала, по указанию преподавателя, может быть опущена. Настоящие лекции могут быть также рекомендованы школьникам, уча­щимся техникумов и колледжей для углубленного изучения физики.

Сорок четыре лекции по физике. СПб, 2003- 298с.

© А.О. Овчинников 1998

ISBN 5-85983-193-5

Оглавление

Введение ......................................................................................................9

Лекция 1. Кинематика поступательного движения ............................11

Введение (11). Основные кинематические характеристики (12). Скорость (13). Ускорение (14). Равнопеременное прямолиней­ное движение (16). Равномерное движение по окружности (17).

Лекция 2. Динамика поступательного движения ................................18

Первый закон Ньютона (18). Понятие импульсе (19). Второй закон Ньютона (19). Третий закон Ньютона (20). Закон изме­нения импульса (20). Закон сохранения импульса (21). Реак­тивное движение (24).

Лекция 3. Разновидности сил в природе ……………………...................24

Классификация фундаментальных взаимодействий (24). Сила трения (25). Сила упругости (26). Закон Гука (27). Сила тяго­тения (28). Центростремительная сила (29).

Лекция 4. Работа и энергия.....................................................................30

Работа (30). Работа нескольких сил (32). Мощность (32). Энер­гия (33). Кинетическая анергия поступательного движения (34). Потенциальная энергия упруго деформированного тела (35). Потенциальная энергия тела в гравитационнном поле (35). Потенциальная энергия тела приподнятого над Землей (36). Закон сохранения и превращения энергии (36).

Лекция 5. Вращательное движение твердого тела..............................38

Момент инерции тела (38). Теорема Штейнера (40). Момент силы (40). Кинематические характеристики вращательного движения твердого тела (41). Основной закон динамики вра­щательного движения (42). Кинетическая энергия вращающе­гося тела (43). Момент импульса (43). Закон изменения и со­хранения момента импульса (45). Практические приложения закона сохранения момента импульса (46).

Лекция 6. Гармонические колебания …………………………..………..46

Уравнение гармонического колебания (47), Кинематические характеристики колебательного движения (48). Элементы те­ории колебания маятника (50). физический маятник (50). Ма­тематический маятник (51). Вынужденные колебания (52

Лекция 7. Сложение гармонических колебаний ..............................53

Сложение гармонических колебаний одного направления (53). Частные случаи (54). Сложение двух взаимно перпендикуляр­ных колебаний (55). Частные случаи (56).

Лекция 8. Волны ...................................................................................59

Продольные и поперечные волны (59). Плоские волны (60). Упругие волны (61). Электромагнитные волны (62). Стоячие волны (63).

Лекция 9. Элементы теории относительности..................................66

Преобразования Галилея (66). Принцип относительности в механике (66). Постулаты Эйнштейна (67). Преобразования Лоренца (68). Следствия из преобразований Лоренца (68). Основной закон релятивистской динамики (71). Закон взаи­мосвязи массы и энергии (72).

Лекция 10. Молекулярная физика ...................................................74

Основные положения молекулярно-кинетической теории веще­ства (74). Вывод уравнения Клаузиуса (76). Уравнение Больц-мана (78). Связь между давлением и температурой газа (80). Вывод газовых законов из молекулярно-кинетической теории газа (88). Закон Клапейрона-Менделеева (80). Вывод закона Клапейрона (81). Вывод закона Бойля-Мариотта (81). Вывод закона Гей-Люссака (82). Вывод закона Шарля (82). Вывод закона Дальтона (83). Вывод закона Авогадро (84).

Лекция 11. Распределение молекул по скоростям .........................84

Функция распределения (84). Средняя квадратичная скорость (86). Распределение Больцмана (86). Барометрическая фор­мула (87). Распределение Максвелла-Больцмана (88). Число степеней свободы (88). Постулат Больцмана (89). Внутренняя энергия идеального газа (89).

Лекция 12. Первое начало термодинамики......................................90

Основные понятия (90). Работа газа (91). Первое начало тер­модинамики (93). Теплоемкость газа (94). Уравнение Майера (96). Адиабатический процесс (96).

Лекция 13. Второе начало термодинамики..........................98

Тепловая машина (99). Теорема Карно (99). Энтропия по Кла-уэиусу (101). Энтропия по Больцмаиу (102).

Лекция 14. Явления переноса ........................................................103

Средняя длина свободного пробега (103). Понятие градиента физической величины (104). Явления переноса (105). Диффу­зия (105). Теплопроводность (106). Внутреннее трение (107). Общее уравнение переноса (108). Частные случаи (110).

Лекция 15. Реальные газы ................................................................111

Агрегатвые состояния (111). Фазовые переходы (113). Опыт Эндрюса (114). Эффект Джоуля-Томсона (117). Поправка на собственные размеры молекул (119). Поправка на межмолеку­лярное взаимодействие (120). Уравнение состояния реального газа (121). Изотермы Ван-дер-Ваальса (122). Эффект Джоуля-Томсона для газа Ван-дер-Ваальса (124).

Лекция 16. Свойства жидкостей.........................................................125

Поверхностное натяжение (125). Коэффициент поверхностного натяжения (126). Энергия поверхностной плевки (127). Капи-лярные явления (128).

Лекция 17. Свойства твердых тел .....................................................130

Строение кристаллов (130). Кристаллизация, плавление и ти­пы решеток (132). Тепловое расширение (134). Теплоемкость твердых тел (135).

Лекция 18. Элементы гидродинамики ............................................137

Течение жидкости. Неразрывность струи (137). Идеальная жидкость (137). Трубка тока (138). Уравнение Бернулли (139).

Лекция 19. Электростатика ................................................................142

Электрические заряды 1142). Закон сохранения электрическо­го заряда (142). Закон Кулона (143). Напряженность электри­ческого поля (143). Силовые линии (146).

Лекция 20. Теорема Остроградского-Гаусса ………………….........147

Поток вектора напряженности электрического поля (147). Те­орема Остроградского-Гаусса (148). Поле равномерно заря­женной плоскости (150). Поле между равномерно заряженны­ми пластинами (151). Поле равномерно заряженной нити (151). Поле равномерно заряженной сферы (152).

Лекция 21. Потенциал электрического поля .............153

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов (153). Работа точечного заряда по перемещению пробного заряда (153). По­тенциальная энергия взаимодействия системы зарядов (155). Электростатический потенциал (157). Связь между потенциа­лом и напряженностью электростатического поля (157). Экви­потенциальные поверхности (159).

Лекция 22. Проводники в электрическом поле ...........160

Свойства проводников (1в0). Электрическая емкость (163). Энергия электростатического поля (166).

Лекция 23. Диэлектрики в электрическом поле ..........167

Поляризация (167). Дипольный момент (166). Связанные за­ряды (170). Электростатическая индукция (171).

Лекция 24. Постоянный электрический ток ..............172

Сила и плотность тока (172). Закон Ома в дифференциальной форме (175). Электрические цепи (177). Закон Ома для полной цепи (177). Правила Кирхгофа (178). Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Левца (179). Закон Джоуля-Ленца в дифферен­циальной форме (180).

Лекция 25. Контактные явления .........................181

Работа выхода (181). Законы Вольта (181). Контактная раз­ность потенциалов (182). Термоэлектрические явления (185). Эффект Пельтье (186).

Лекция 26. Электрический ток в полупроводниках ,......187

Собственная проводимость полупроводников (188). Примес­ная проводимость полупроводников (189). Контакт р- и п-полупроводников. Полупроводниковый диод (190).

Лекция 27. Магнитное поле тока .........................................................192

Магнитное поле и его характеристики (192). Закон Био-Савара-Лапласа (195). Поле в центре кругового тока (196). Поле прямолинейного проводника с током (197). Поле соле­ноида и тороида (198).

Лекция 28. Действие магнитного поля на проводник с током……..199

Закон Ампера (199). Сила Лоренца (200). Движение заряжен­ной частицы в магнитном поле (200). Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле (202).Поток вектора магнитной индукции (203). Взаимодействие токов (204).

Лекция 29. Магнитные свойства вещества ..........................................205

Парамагнетизм (205). Диамагнетизм (206). Ферромагнетизм (207). Магнитный гистерезис (208). Домены (209).

Лекция 30. Закон электромагнитной индукции ................................210

Энергия магнитного поля (210). Индуктивность (211). Закон электромагнитной индукции Фарадея (212). Колебательный контур (213). Излучение электромагнитных волн (215).

Лекция 31. Уравнения Максвелла. Электромагнитные волны ......216

Уравнения Максвелла (216). Плоская волна (217). Волновое уравнение (218). Бегущие волны (215). Электромагнитные волны (218).

Лекция 32. Свет и его свойства. Геометрическая оптика …………. 220

Свойства света (220). Геометрическая оптика (221). Диспе­рсия света (223). Основные фотометрические величины (224). Фотометрия (225).

Лекция 33. Интерференция света........................................................228

Условия возникновения и сущность явления интерференции (228). Условия максимумов и минимумов интерференционной картины (230). Наблюдение интерференции света (231). При­менение интерференции света (234).

Лекция 34. Дифракция света...............................................................235

Принцип Гюйгенса-Френеля (235). Зоны Френеля (235). Ди­фракция Френеля (237). Дифракция Фраунгофера (238). Разре­шающая способность оптических приборов (241).

Лекция 35. Поляризация света ..........................................................242

Естественный и поляризованный свет (242). Поляризация при отражении и преломлении (245). Поляризация при двойном лучепреломлении (247). Вращение плоскости поляризации (244).

Лекция 36. Законы теплового излучения..........................................248

Свойства теплового излучения (248). Характеристики тепло­вого излучения (248). Поглощательные характеристики тела (249). Понятие абсолютно черного тела (250). Закон Стефана-Больцмана (251). Закон Вина (251). Закон Кирхгофа для те­плового излучения (251). Следствия из закона Кирхгофа (252). Формула Планка (252).

Лекция 37. Квантовые свойства электромагнитного

излучения. Внешний фотоэффект....................253

Законы Столетова (255). Масса и энергия фотона. Световое давление (257). Эффект Комптона (258).

Лекция 38. Строение атома водорода по Бору ...........260

Опыты Резерфорда (260). Первый постулат Бора (262). Второй постулат Бора (263). Критика теории Бора (265).

Лекция 39. Элементы квантовой механики ...............266

Корпускулярно-волвовой дуализм (266) Обшее нерелятивист­ское уравнение Шредингера (267). Стационарное уравнение Щредингера (268). Частица в одномерной бесконечно глубо­кой потенциальной яме (268). Соотношения неопределенно­стей (270).

Лекция 40. Строение ядра атома ........................271

Ядерные силы (271). Виды радиоактивного распада (272). За­кон радиоактивного распада (273) Период полураспада (274 i

Лекция 41. Ценная реакция .............................275

Энергия связи 1275). Цепная реакция деления (276). Крити­ческая масса (277). Устройство и принцип действия ядерного реактора (278). Реакция термоядерного синтеза (279).

Лекция 42. Биологическое действие радиации ...........279

Элементы дозиметрии радиоактивных излучений (279). Ис­точники радиоактивных излучений (281). Общее облучение организма (282). Лействие облучения на органы и ткани (283). Механизм биологического действия радиации (284). Практи­ческое использование радиоактивных излучений (286).

Лекция 43. Элементарные частицы ......................289

Кварки (289). Квантовые числа (290). Лептовы (291). Глюоны (291). Физический вакуум (292). Виртуальвые частицы (293).

Лекция 44. Строение и эволюция Вселенной

Закон Хаббла (294). Модель Фридмана (295). Закон эволюции (296). Критическая плотность (297).

Введение

Физика в переводе с древнегреческого означает Природа. Этим названием довольно точно определяется и объект изучения современ­ной физики. Она изучает наиболее общие и фундаментальные законы и закономерности материального мира. Начиная от "кирпичиков'' мироздания, истинно элементарных частиц таких как фотон, лепто-ны, кварки и глюоны, и заканчивая законами строения и эволюции Вселенной в целом.

Описывая окружающий нас материальный мир она дает клю­чи к пониманию законов движения и взаимодействия макроскопиче­ских тел. Количественные законы, установленные физикой, позволя­ют выполнить с необходимой точностью расчеты различных машин и механизмов, расчеты параметров средств связи и обработки ин­формации. На физическом фундаменте строится иерархия законов, действующих в биологии и других науках. В ходе развития физи­ки было введено понятие поля и показано, что материя состоит из вещества и поля. Современная физика идет дальше. Она предпри­нимает смелые попытки выделить материальные основы сознания и информации. Увенчаются ли эти попытки успехом, покажет будущее. Физика как наука находится в состоянии непрерывного и достаточно бурного развития. Чтобы понять это, достаточно познакомиться с историей развития физики в 20 веке. Какова будет физика 21 века, что принципиально нового принесет она нам в познании тайн Приро­ды? Чтобы подойти к ответу на эти вопросы, необходимо детально изучить основы современной физической науки; это позволит ставить новые вопросы и понимать существующие проблемы.

Физические термины и законы широко используются в различ­ных технических науках. Понятийный аппарат этих наук построен на фундаменте общей физики. Как правило, он включает в себя такие ключевые термины как масса, сила, давление, импульс, работа, мощ­ность, анергия, потенциал, сила тока и так далее. Студенту весьма трудно будет изучать технические дисциплины, не овладев основны­ми законами и категориями физики. Как показывает анализ изобре­тательской и рационализаторской деятельности, именно законы фи­зики являются неисчерпаемым источником новых идей и предложе­ний, дающих иногда неожиданные результаты. Вспомним изобрете- ния: радио, телевидения, лазеров, интегральных схем, спутниковой связи и многие другие. Развиваясь, физика непрерывно обогащает естественные и технические науки, такие как философия, биология, медицина, химия, радиотехника, теплотехника и т.д.

Хотя физика и является единой наукой, но для удобства изуче­ния ее обычно представляют в виде следующих разделов:

"Механика",

"Молекулярная физика и термодинамика", "Электричество и магнетизм", "Оптика",

"Атомная и ядерная физика".

Сюда можно также добавить физику малого и большого — фи­зику истинно элементарных частиц и физику Вселенной. Настоящие лекции по объему материала соответствуют примерно трех семестро­вому курсу физики с учетом того, что преподаватель дополнительно читает еще 2-3 лекции в зависимости от специализации потока.

Авторы не ставили перед собой цель написать справоч­ник по физике и рассмотреть при «том как можно больше во­просов. IIель данной работы заключается в том, чтобы выделить ключевые, т.е. наиболее важные и принципиальные моменты курса, снабдив их, по возможности, примерами и иллюстрациями; вывести формулы там, где это необходимо, и отметить практическое исполь­зование наиболее значимых результатов и явлений.

На протяжении всех лекций мы будем использовать между­народную систему единиц СИ, основными единицами которой явля­ются метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль), кандела (кд). В СИ все единицы, образованные от фами­лий, в сокращенном варианте пишутся с большой буквы. Векторные величины в формулах выделены жирным шрифтом. Предполагает­ся, что изучение лекций сопровождается выполнением лабораторных работ и решением задач на соответствующие темы.

В настоящем втором издании лекций по физике исправлены опе­чатки, замеченые в первом издании, часть материала лекций пере­работана, добавлен новый материал. Авторы благодарят всех, кто сделал полезные и необходимые замечания.

Лекция №1