
- •С.В. Шапиро Курс физики Учебное пособие
- •Рецензенты:
- •Содержание
- •Раздел 1. Механика……………………………………...……….………………..8
- •Раздел 2. Термодинамика..……………………………………………………...45
- •Раздел 3. Электричество и магнетизм………………………………………...86
- •Раздел 5. Физические основы строения материи…………………………..175
- •Цель и задачи курса
- •Раздел первый. Механика глава первая. Кинематика
- •1.1. Материальная точка и основные характеристики ее движения
- •Декартовой системе координат
- •1.2. Вращательное движение материальной точки
- •Векторное изображение угловой скорости (б)
- •1.3. Кинематика твердого тела. Разложение произвольного движения на поступательное и вращательное
- •1.4. Относительное движение
- •1.5. Релятивистские эффекты в кинематике
- •Масштаба длины (в)
- •Вопросы по первой главе:
- •Глава вторая. Динамика
- •2.1. Взаимодействие материальных точек. Понятие силы
- •2.2. Законы статики изолированного множества материальных точек
- •1 Закон статики.
- •2 Закон статики.
- •2.3. Закон сохранения импульса изолированного множества материальных точек. Центр масс
- •2.4. Закон сохранения момента импульса изолированного множества материальных точек. Теорема Штейнера
- •2.5. Работа, энергия, закон сохранения энергии
- •Материальной точки Mq: а, б – под действием одной материальной точки Mp;
- •2.6. Взаимодействие двух изолированных множеств материальных точек
- •2.7. Связи абсолютно-твердых тел
- •2.8. Релятивистская масса
- •2.9. Гравитационное взаимодействие
- •2.10. Динамика упругого тела
- •Вопросы по второй главе:
- •Раздел II. Термодинамика глава третья. Идеальный газ
- •3.1. Основные характеристики идеального газа
- •Движением всех корпускул, входящих в газ (а), их упорядоченным движением (б) и в промежуточной ситуации (в)
- •3.2. Уравнение состояния Менделеева–Клапейрона
- •3.3. Работа идеального газа. Теплота и внутренняя тепловая энергия. Первый закон термодинамики
- •3.4. Энтропия. Второй принцип термодинамики
- •Аналогично для второго газа записываем
- •Если принять отношения
- •3.5. Адиабатические, изотермические, изохорические, изобарические процессы
- •3.6. Неравновесные системы
- •При теплообмене: 1 – источник тепловой энергии; 2 – приемник тепловой энергии (холодильник); 0 – объем идеального газа (открытая система)
- •Риc. 3.7. К раcчёту процесса преобразования теплового движения в упорядоченное в простейшей неравновесной системе
- •3.7. Цикл Карно
- •3.8. Распределение молекул газа по скоростям
- •Вопросы по третьей главе:
- •Глава четвёртая. Реальный газ и основы кинетики газа
- •4.1. Уравнение Ван дер-Ваальса
- •4.2. Столкновения молекул. Средняя длина свободного пробега. Скорость дрейфа
- •При столкновении корпускул идеального газа
- •Модель движения материальной точки под действием постоянной силы в условиях дескретно – повторяющегося столкновения с препятствиями (б) и зависимость V(τ) для такого движения
- •4.3. Явления переноса в газе
- •4.4. Диффузия газов
- •4.5. Теплопроводность
- •4.6. Внутреннее трение в газах (вязкость)
- •4.7. Основы аэро- и гидродинамики. Возникновение вихрей
- •В сплошной среде (б, в)
- •Вопросы по четвертой главе:
- •Раздел третий. Электричество и магнетизм глава пятая. Электростатика
- •5.1. Закон Кулона
- •Электрического взаимодействия; б – воздействие (n-1) зарядов на заряд qN;
- •5.2. Электрическое поле и его основные характеристики
- •И эквипотенциальными поверхностями (а) и поток вектора напряженности через инфинитезимальную поверхность (б)
- •5.3. Теорема Гаусса–Остроградского
- •5.4. Примеры применения теоремы Гаусса–Остроградского
- •Бесконечной длины: а – выбор замкнутой поверхности;
- •5.5. Электростатическое поле в диэлектрике
- •5.6. Электростатическая индукция. Теорема Гаусса-Остроградского для поля в разнородной среде
- •В разнородной среде
- •5.7. Энергия электростатического поля
- •Вопросы по пятой главе:
- •Глава шестая. Магнетизм
- •6.1. Взаимодействие движущихся зарядов и проводников с токами
- •С движущимися электронами; б – иллюстрация закона Био-Савара-Лапласа
- •6.2. Основные характеристики магнитного поля.
- •6.3. Закон полного тока
- •Магнитное поле торроидальной катушки
- •6.5. Электромагнитная индукция
- •Наводимого электромагнитной индукцией потока
- •6.6. Пара-, диа- и ферромагнетики
- •6.7. Явление взаимоиндукции. Идеальный трансформатор
- •Его схематическое изображение (б)
- •6.8. Энергия магнитного поля
- •Вопросы по шестой главе:
- •Глава седьмая. Электрический ток
- •7.1. Основные элементы цепи постоянного тока. Законы Ома и Джоуля–Ленца
- •7.2. Законы Кирхгофа для разветвленной цепи
- •(К описанию законов Кирхгофа)
- •7.3. Переменный синусоидальный ток
- •Векторами: а – единичный вектор во вращающейся системе координат;
- •7.4. Переменная синусоидальная эдс. Законы Ома и Кирхгофа в комплексном виде
- •И участок цепи синусоидального тока (в)
- •7.5. Переходные процессы в электрических цепях
- •Вопросы по седьмой главе:
- •Глава восьмая. Электромагнитное поле
- •8.1. Уравнения Максвелла
- •8.2. Теорема Умова–Пойнтинга
- •Двухпроводной линии (а) и круглого провода (б)
- •8.3. Плоское электромагнитное поле в диэлектрике
- •Плоской электромагнитной волны в диэлектрике
- •П(х); г – формирование е0(х)
- •8.4. Плоское синусоидальное электромагнитное поле в диэлектрике
- •8.5. Плоская электромагнитная волна в проводящей среде
- •8.6. Плоское синусоидальное электромагнитное поле в смешанной среде
- •8.7. Сферическое электромагнитное поле в диэлектрике
- •Вопросы по восьмой главе:
- •Для выбора основных цветов:1 – красный;2 – зелёный;3 – синий
- •9.2. Интерференция света
- •Монохроматических волн; в – интерференция сферических волн
- •Предмета на фотоплёнку при облучении его лазером (монохроматическим когерентным светом;б)получение объёмного (стереоскопического) изображения этого предмета
- •9.3. Дифракция света
- •9.4. Отражение и преломление волн на границе двух сред
- •9.5. Геометрическая оптика
- •Вопросы по девятой главе:
- •Глава десятая. Акустика
- •10.1. Акустические волны в газе. Волновое уравнение
- •10.2. Поперечные упругие колебания протяжённых твердых тел и поверхностей жидкостей
- •10.3. Распространение гармонического звука в газе
- •10.4. Негармонические звуковые колебания
- •Вопросы по десятой главе:
- •Раздел пятый. Физические основы строения материи глава одиннадцатая. Элементы квантовой механики
- •1.1. Принцип неопределенности
- •11.2. Волна вероятности. Уравнение Шредингера
- •Вероятность её нахождения вдоль оси X(б)
- •11.3. Волна вероятности ускоряющейся частицы. Волновой пакет
- •При ускорении частицы (а) и его структура (б)
- •11.4. Движение электрического заряда в центрально-симметричном электрическом поле
- •А) при числе эпициклов,равном 1; б) при числе 2
- •Вопросы по одиннадцатой главе:
- •Глава двенадцатая. Физические основы строения материи
- •12.1. Элементарные частицы
- •Камере в результате столкновения π ––мезона с протоном р(а). В результате реакции появились k0 – мезон и λ0 – гиперон.Они на фотографии
- •12.2. Модели ядра
- •12.3. Ядерные процессы
- •12.4. Структура атома. Энергетические уровни
- •12.5. Некоторые физические явления, обусловленные квантовыми процессами в атомах
- •12.6. Формирование молекулярных структур
- •Атомов от расстояния между их центрами
- •12.7. Агрегатные состояния вещества
- •12.8. Твердое тело
- •Двух молекул от расстояния между ними
- •В кристаллах
- •Вопросы по двенадцатой главе:
- •Приложения
- •Примеры решения задач Несколько советов
- •Несколько предварительных замечаний
- •1. Кинематика.
- •2. Статика Задача № п.2
- •Решение
- •3. Динамика Задача № п.3
- •Решение
- •4. Термодинамика Задача№ п.4
- •Решение
- •5. Электростатика Задача № п.5
- •Решение
- •6. Магнитное поле Задача № п.6
- •Решение
- •7. Электрический ток Задача № п.7
- •Решение
- •8. Переменное электромагнитное поле Задача № п.8
- •Решение
- •9. Акустика Задача № п.9
- •Решение
- •10. Оптика Задача № п.10
- •Решение
- •11. Атомная и ядерная физика Задача № п.11
- •Решение
- •12. Молекулы и кристаллы Задача № п.12
- •Решение
- •Некоторые сведения из векторного анализа
- •Международная система единиц
- •3.1. Основные единицы и их эталоны
- •3.2. Единицы механических величин
- •П.3.3. Единицы тепловых величин
- •3.4. Единицы электромагнитных величин.
- •3.5. Единицы электромагнитного излучения и освещенности
- •Основные хронологические даты истории физики
- •Приложение 5 основные физические константы
- •Список литературы
- •Шапиро Семен Валентинович
- •450078, Г. Уфа, ул. Чернышевского, 145, к. 206; тел. (347) 241-69-85.
Вопросы по второй главе:
1. Что такое масса?
2. Что такое сила?
3. Что такое инерция?
4. Сформулируйте первой, второй и третий законы Ньютона.
5. Что такое импульс?
6. Что такое центр масс?
7. Чему равна геометрическая сумма сил, действующих внутри изолированного множества материальных точек?
8.Чему равна геометрическая сумма моментов сил, действующих на все точки изолированного множества?
9. Сформулируйте законы сохранения импульса и момента импульса множества материальных точек.
10. Что такое работа, потенциальная и кинетическая энергии?
11. Сформулируйте закон сохранения энергии изолированного множества материальных точек.
12. Что такое момент силы материальной точки?
13. Что такое момент импульса?
14. Что такое момент инерции?
15. Сформулируйте второй закон Ньютона для вращательного движения.
16. Сформулируйте закон сохранения суммы моментов импульсов вращательного движения.
17. Сформулируйте формулу Штейнера для момента инерции.
18. Перечислите виды связей абсолютно-твёрдых тел.
19. Что такое коэффициент трения?
20. Что такое коэффициент трения качения?
21. Чему равна масса материальной точки, движущейся со скоростью, близкой к скорости света?
22. Сформулируйте закон Всемирного тяготения.
23. Что такое амплитуда маятника?
24. Что такое период колебания маятника?
25. Что такое фаза и начальная фаза колебаний маятника?
26. Сформулируйте закон Гука для упругого тела.
27. Что такое модуль Юнга?
28. Что такое коэффициент Пуассона?
29. Чему равна потенциальная энергия сжатия (растяжения) упругого бруса.
30. Сформулируйте закон Гука для сдвига упругого бруса.
31. Расскажите об устройстве и принципе действия пружинного маятника.
Раздел II. Термодинамика глава третья. Идеальный газ
3.1. Основные характеристики идеального газа
Идеальным газом
именуется множество хаотически движущихся
друг относительно друга корпускул.
Простейшая конфигурация корпускул –
шар. Шарики – корпускулы движутся в
разные стороны с разными скоростями,
соударяются друг с другом, разлетаются,
вновь соударяются и т.д. Такая ситуация
может возникнуть, например, если множество
состоит из материальных точек, которые
друг от друга отталкиваются – см. § 2.2.
На рисунках 3.1 а и 3.1, б изображено движение
двух отталкивающихся материальных
точек и соответствующее ему движение
двух соударяющихся шариков. Как видим,
если рассматривать движение материальных
точек массой m1
и m2
вне зоны взаимодействия (обозначенной
на рисунке кругом), то оно ничем не
отличается от движения шариков той же
массой, с теми же начальными скоростями
и
,
находящихся в начале рассматриваемого
промежутка времени на том же расстоянии
.
Такая же ситуация существует и между притягивающимися материальными точками, если начальное значение их потенциальной энергии WП.О меньше их кинетической WК.О . В этом случае по-прежнему различие в движении шариков (рисунок 3.1, б) и материальных точек (рисунок 3.1, в) наблюдается лишь внутри зоны взаимодействия (круг), а вне этой зоны совпадает с точностью до траектории и скоростей.
Рис. 3.1. Моделирование двух взаимодействующих материальных точек (а, в) соударяющимися корпускулами (б)
На рисунке 3.2, а изображен объем идеального газа V в виде параллелепипеда. Границы этого объема выбраны условно в рамках бесконечно-большого объема, равномерно заполненного движущимися корпускулами. Хаос в идеальном газе характеризуется не только бессистемным движением частиц в разные стороны с разными скоростями, но и равномерной плотностью их распределения n. В частности, в данном объеме число частиц N равно
а б
в
Рис. 3.2. Обьем идеального газа в виде параллелепипеда с хаотическим