Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

До друку та в світ

дозволяю на підставі

“Єдиних правил”,

п. 2.6.14

Заступник першого проректора –

начальник організаційно-методичного

управління В.Б.Юскаєв

Конспект лекцій з дисципліни “Фізика”

для студентів напрямів підготовки

6.050801 “Мікро- та наноелектроніка”,

6.050802 “Електронні пристрої та системи”,

6.050701 “Електротехніка та електротехнології”,

6.050201 “Системна інженерія”

усіх форм навчання

Частина 1

Усі цитати, цифровий та

фактичний матеріал,

бібліографічні відомості

перевірені, запис одиниць

відповідає стандартам

Укладач: О.В. Лисенко

Відповідальний

за випуск Ю.М. Лопаткін

Декан факультету електроніки

та інформаційних технологій С.І. Проценко

Суми

“Видавництво СумДУ”

2010

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

Фізика Конспект лекцій

для студентів напрямів підготовки

6.050801 “Мікро- та наноелектроніка”,

6.050802 “Електронні пристрої та системи”,

6.050701 “Електротехніка та електротехнології”,

6.050201 “Системна інженерія”

усіх форм навчання

Частина 1

Суми

“Видавництво СумДУ”

2010

Фізика: Конспект лекцій /Укладач О.В. Лисенко. – Суми: Вид-во СумДУ, 2010. – Ч.1. – 192 с.

Кафедра загальної та теоретичної фізики

ЗМІСТ

С.

Передмова 8

Розділ 1 Фізичні основи класичної механіки 9

Тема 1 Кінематика 9

§1 Простір і час. Система відліку. Матеріальна точка. Радіус-вектор. Траєкторія, шлях, переміщення [7] 9

§2 Середня й миттєва швидкість. Визначення переміщення і шляху тіла за його швидкістю [4] 10

§3 Прискорення. Визначення швидкості тіла за його прискоренням. Швидкість та координати тіла під час рівноприскореного руху [1] 12

§4 Тангенціальне й нормальне прискорення. Радіус кривизни [1] 14

§5 Вектор кутового зміщення. Кутові швидкість і прискорення. Зв’язок між кутовими й лінійними величинами [1] 15

Тема 2 Динаміка матеріальної точки 17

§6 Перший закон Ньютона. Інерціальні системи відліку [12] 17

§7 Інертність. Маса. Сила. Другий закон Ньютона [7] 18

§8 Третій закон Ньютона. Приклади, що ілюструють третій закон Ньютона [4] 20

§9 Одиниці вимірювань фізичних величин. Основні й похідні одиниці вимірювань. Розмірність [4,13] 21

§10 Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння і вага тіла. Вага тіла, що рухається з прискоренням [4] 22

§11 Сила тертя спокою, коефіцієнт тертя спокою. Сила тертя ковзання, коефіцієнт тертя ковзання [4] 24

§12 Сила пружності. Закон Гука. Розтягування і стискування стержнів, модуль Юнга [4] 25

Тема 3 Закони збереження 26

§13 Закон збереження імпульсу для системи матеріальних точок [4] 26

§14 Центр мас системи матеріальних точок. Швидкість і прискорення центра мас [4] 28

§15 Робота змінної сили. Теорема про кінетичну енергію для системи матеріальних точок [7] 29

§16 Робота сили тяжіння, сили всесвітнього тяжіння, сили пружності. Консервативні сили [4,7] 30

§17 Потенціальна енергія. Взаємний зв’язок потенціальної енергії і консервативної сили [4,7] 32

§18 Повна механічна енергія системи матеріальних точок. Закон збереження повної механічної енергії для системи матеріальних точок. Робота неконсервативних сил [4] 34

§19 Зіткнення тіл. Швидкості тіл після центрального абсолютно пружного та абсолютно непружного ударів [4] 35

Тема 4  Тверде тіло в механіці 37

§20 Момент сили і момент імпульсу. Рівняння моментів для матеріальної точки [7] 37

§21 Рівняння моментів для системи матеріальних точок. Закон збереження моменту імпульсу [1] 38

§22 Швидкість довільної точки твердого тіла під час його плоского руху. Кутова швидкість обертання твердого тіла. Миттєва вісь обертання [4] 39

§23 Рух центра мас твердого тіла. Прискорення центра мас твердого тіла [4] 41

§24 Обертання твердого тіла навколо нерухомої осі. Рівняння динаміки обертального руху відносно нерухомої осі [4] 42

§25 Момент інерції циліндра (диска) відносно осі симетрії [4] 43

§26 Момент інерції стержня [4] 44

§27 Теорема Гюйгенса-Штейнера [7] 45

§28 Робота тіла, що обертається навколо нерухомої осі [4] 45

§29 Кінетична енергія твердого тіла за умови плоского руху [4] 46

§30 Рівняння руху і рівноваги твердого тіла. Прискорення циліндра, який котиться без ковзання з похилої площини [1,7] 48

Тема 5 Неінерційні системи відліку 49

§31 Неінерціальні системи відліку. Сили інерції. Поступальна сила інерції [7] 49

§32 Відцентрова сила інерції [4] 51

§33 Сила Коріоліса [4] 52

Тема 6 Механіка рідин 54

§34 Методи Лагранжа та Ейлера для опису течії рідини. Трубка течії [4,14] 54

§35 Теорема про нерозривність потоку [4] 55

§36 Рівняння Бернуллі [4] 55

§37 Витікання рідини з малого отвору. Формула Торрічеллі [4] 57

§38 Сила внутрішнього тертя. Формула Ньютона для сили внутрішнього тертя. В’язкість. Ламінарна і турбулентна течія рідини. Число Рейнольдса [1] 58

§39 Рух тіл у рідинах та газах. Сила лобового опору. Піднімальна сила. Парадокс Д’Аламбера. Вплив в’язкості на характер обтікання тіла рідиною. Сила Стокса [4] 60

Тема 7 Елементи спеціальної теорії відносності 62

§40 Принцип відносності Галілея. Перетворення Галілея [4] 62

§41 Постулати спеціальної теорії відносності. Відносність одночасності [4,7] 64

§42 Перетворення Лоренца [4] 66

§43 Перетворення швидкостей у спеціальній теорії відносності [4] 66

§44 Лоренцеве скорочення довжини [4] 68

§45 Релятивістське уповільнення ходу часу [4] 69

§46 Інтервал і його інваріантність. Швидкість світла як гранична швидкість поширення довільного сигналу [4] 70

§47 Закон збереження імпульсу в спеціальній теорії відносності. Релятивістське рівняння динаміки [4] 71

§48 Кінетична енергія в спеціальній теорії відносності [4] 72

§49 Енергія спокою. Повна енергія. Взаємозв'язок маси й енергії спокою [4] 73

Розділ 2 Основи молекулярної фізики і термодинаміки 76

Тема 8 Макроскопічний стан 76

§50 Статистичний і термодинамічний підходи до вивчення теплових властивостей макроскопічних тіл [4] 76

§51 Термодинамічна система. Параметри стану системи. Рівноважні та нерівноважні стани. Термодинамічний процес. Квазистатичний процес [4] 77

§52 Температура. Термометр. Загальний (нульовий) закон термодинаміки. Основна властивість температури. Шкала температур Цельсія. Абсолютна температура [8] 77

§53 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини. Броунівський рух [4,15] 79

§54 Рівняння стану термодинамічної системи. Рівняння стану ідеального газу як результат узагальнення експериментальних досліджень [4] 81

§55 Барометрична формула [4] 82

§56 Тиск ідеального газу з точки зору молекулярно-кінетичної теорії [8] 83

§57 Молекулярно-кінетичний зміст абсолютної температури [4] 86

§58 Ступені вільності механічної системи. Теорема про рівномірний розподіл кінетичної енергії за ступенями вільності. Середня енергія молекули [4] 86

Тема 9 Перший закон термодинаміки 88

§59 Внутрішня енергія термодинамічної системи [4] 88

§60 Робота, що виконується тілом при змінах його об'єму [4,8] 89

§61 Кількість теплоти. Перший закон термодинаміки. Вічний двигун першого роду [8] 90

§62 Теплоємність. Питома й молярна теплоємність. Теплоємність при постійному тиску, при постійному об'ємі. Внутрішня енергія ідеального газу. Рівняння Майєра. Стала адіабати [4] 91

§63 Рівняння адіабати ідеального газу [4] 93

§64 Політропічні процеси. Показник політропи. Рівняння політропи [4] 95

§65 Робота, що виконується газом при ізопроцесах [4] 96

§66 Класична теорія теплоємності ідеального газу [4] 98

Тема 10 Другий закон термодинаміки 99

§67 Будова і принцип дії теплової машини. Коефіцієнт корисної дії теплової машини [8] 99

§68 Вічний двигун другого роду. Другий закон термодинаміки. Формулювання другого закону термодинаміки Томсона і Клаузіуса [8] 100

§69 Оборотні і необоротні процеси. Цикл Карно. Перша і друга теореми Карно [8] 101

§70 Нерівність і рівність Клаузіуса. Ентропія. Закон зростання ентропії [8] 102

§71 Ентропія ідеального газу [8] 105

Тема 11 Статистичні розподіли 105

§72 Функція розподілу ймовірності. Функції розподілу молекул за швидкостями Максвелла [4,8] 105

§73 Середні швидкості молекул. Число ударів молекул об одиничну поверхню за одиницю часу [8] 108

§74 Розподіл Больцмана [4] 112

Тема 12 Явища перенесення 113

§75 Довжина вільного пробігу молекул [8] 113

§76 Емпіричні рівняння, що описують дифузію, теплопровідність, внутрішнє тертя. Якісне пояснення явищ перенесення в газах [4] 115

Тема 13 Реальні гази та рідкий стан 119

§77 Реальні гази. Рівняння Ван-дер-Ваальса [4,8] 119

§78 Ізотерми Ван-дер-Ваальсівського газу. Критичні температура, тиск, об'єм і їх зв'язок із сталими Ван-дер-Ваальса [4] 121

§79 Експериментальні ізотерми [4] 122

§80 Фаза в термодинаміці. Фазове перетворення першого і другого роду. Приклади фазових перетворень. Діаграма станів [4] 125

§81 Будова рідин. Поверхневий натяг рідин. Коефіцієнт поверхневого натягу. Крайовий кут [4] 128

§82 Формула Лапласа. Капілярні явища. Висота піднімання й опускання рідини в капілярах [4] 130

Розділ 3 Електрика 134

Тема 14 Електричне поле у вакуумі 134

§83 Явище електризації. Електричний заряд. Елементарний електричний заряд. Дискретність заряду. Закон збереження електричного заряду [5,16] 134

§84 Закон Кулона. Принцип суперпозиції електричних сил. Одиниці вимірювання заряду [5] 136

§85 Електричне поле. Напруженість електричного поля. Напруженість електричного поля точкового заряду. Принцип суперпозиції електричних полів [5] 137

§86 Робота з переміщення заряду в електростатичному полі. Теорема про циркуляцію електростатичного поля. Потенціальна енергія точкового заряду. Потенціал електричного поля. Потенціал системи зарядів [5] 139

§87 Зв’язок між напруженістю електростатичного поля і потенціалом. Силові лінії та еквіпотенціальні поверхні. Перпендикулярність силових ліній і еквіпотенціальних поверхонь [5] 141

§88 Поле електричного диполя [5] 143

§89 Потік вектора. Теорема Гаусса для вектора напруженості електричного поля [9] 144

§90 Напруженість електричного поля нескінченної однорідно зарядженої пластини [2] 147

§91 Напруженість електричного поля однорідно зарядженої циліндричної поверхні [2] 148

§92 Напруженість електричного поля об’ємно зарядженої кулі [2] 149

§93 Диференціальна форма електростатичної теореми Гаусса. Значення теореми Гаусса в теорії електрики [9] 151

Тема 15 Електричне поле у діелектриках 152

§94 Поляризація діелектриків. Зв’язані заряди. Механізми поляризації [9] 152

§95 Вектор поляризації. Поверхнева густина зв’язаних зарядів. Зв’язаний заряд усередині діелектрика [9] 153

§96 Вектор електричної індукції. Теорема Гаусса для діелектриків [9] 155

§97 Поляризованість і діелектрична проникність [9] 156

§98 Умови на межі поділу двох діелектриків [17] 157

§99 Електричне поле усередині діелектричної пластини, яка розміщена перпендикулярно до напрямку поля. Електричне поле усередині діелектричного сферичного шару. Фізичний зміст діелектричної проникності [5] 158

Тема 16 Провідники в електричному полі 159

§100 Умови рівноваги зарядів на провіднику. Електричне поле усередині провідника. Напруженість електричного поля біля поверхні провідника [9] 159

§101 Електроємність відокремленого провідника. Ємність кулі [5] 161

§102 Конденсатор. Ємність конденсатора. Ємність плоского і циліндричного конденсатора. Ємність системи, що складається з послідовно та паралельно з’єднаних конденсаторів [5] 162

Тема 17 Енергія електричного поля 165

§103 Енергія системи точкових зарядів [5] 165

§104 Енергія зарядженого провідника. Енергія зарядженого конденсатора [5] 166

§105 Енергія електричного поля [5] 167

Тема 18 Постійний електричний струм 168

§106 Електричний струм. Густина електричного струму з мікроскопічної точки зору. Рівняння неперервності для електричного заряду [5,9] 168

§107 Сторонні сили. Електрорушійна сила. Робота над електричним зарядом на ділянці кола [5] 170

§108 Закон Ома для однорідної ділянки кола. Залежність опору від геометричних розмірів провідника. Закон Ома в диференціальній формі. Провідність [5] 171

§109 Закон Ома для неоднорідної ділянки кола в диференціальній і інтегральній формі. Закон Ома для замкненого кола [5] 172

§110 Правила Кірхгофа [5] 173

§111 Потужність струму. Закон Джоуля-Ленца в інтегральній і диференціальній формі [5] 174

§112 Процеси встановлення струму під час заряду і розряду конденсатора [9] 175

§113 Природа носіїв струму в металах. Дослід Рікке. Ідея Лоренца визначення відношення заряду до маси носія електричного струму в металах. Дослід Толмена і Стюарта [2] 177

§114 Якісні уявлення про електропровідність металів з точки зору класичної теорії. Закон Ома та Джоуля-Ленца з погляду класичної теорії електропровідності. Недоліки класичної теорії електропровідності [5] 178

§115 Електричний струм у газах. Процеси, що приводять до виникнення носіїв струму при самостійному газовому розряді. Самостійний та несамостійний розряди [5] 181

Список літератури 187

Предметний покажчик 188