- •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.
Международная система единиц
3.1. Основные единицы и их эталоны
Метр [м] – мера длины, равная 1650763,3 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона–36.
Секунда [c] – мера времени, равная 9192631770 периодов колебаний излучения в вакууме, соответствующего резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия–55.
Килограмм [кг] – мера массы, равная массе 1дм3 чистой воды при 40С, а точнее – массе эталона, выполненного в виде цилиндра из сплава платины и иридия и находящегося в международной Палате мер и весов (Париж).
Ампер [А] – мера силы тока, равная силе неизменного тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2·10-7 единиц силы международной системы на каждый метр длины (Н/м).
Кельвин [К] – 100/27316 часть термодинамической температуры тройной точки воды (т.е. точки ее плавления или замерзания).
Моль – количество вещества системы, содержащей столько же молекул, сколько атомов содержится в нуклиде 12С массой 0,012 кг.
Радиан [рад] – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.
Стерадиан [ср] – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
Кандела [кд] – сила света в заданном направлении угловой плотности энергии электромагнитного излучения частотой 540·1012 Гц, равной 1/683 Вт/ср.
3.2. Единицы механических величин
Площадь – [м2];
Обьем – [м3];
Скорость – [м/с];
Ускорение – [м/с2];
Сила – [кг·м/с2]=[H] (Ньютон);
Давление (напряжение) – [Н/м2]=[Па] (Паскаль);
Плотность - [кг/м3];
Импульс (количество движения) – [Н·м]= [Дж] (Джоуль);
Мощность – [Дж/с]=[Вт] (Ватт);
Момент силы – [Н·м];
Импульс момента силы - [Н·м·с];
Момент инерции - [кг·м2];
Частота - [1/с]=[Гц] (Герц);
Угловая скорость - [1/2πс];
Угловое ускорение – [1/2πс2];
Момент количества движения – [кг·м2/2πс].
П.3.3. Единицы тепловых величин
Температура – [0К] (градус Кельвина – величина, соответствующая увеличению кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул на 1,38·10-23[Дж]);
Теплоемкость – [Дж/0К];
Удельная теплоемкость – [Дж/кг·0К];
Теплотворная способность топлива - [Дж/кг];
Молярная масса – [кмоль] – атомный вес (число нуклонов в ядре атома или сумме ядер молекулы), выраженный в [кг];
Молярная теплоемкость – [Дж/кмоль·0К];
Энтропия – [Дж/0К];
Негэнтропия (информация) – [бит], [байт].
3.4. Единицы электромагнитных величин.
Электрический заряд – [А·с]= [К] (Кулон).
Линейная плотность заряда – [К/м].
Поверхностная плотность заряда – [К/м2].
Объемная плотность заряда – [К/м3].
Напряженность электрического поля – [Н/К].
Потенциал электрического поля – [Дж/К]=[В] (Вольт).
Электрическое напряжение (разность потенциалов), ЭДС – [В].
Электрическая емкость – [К/В]=[Ф] (Фарада).
Электрическое сопротивление – [В/А]=[Ом].
Электрическая проводимость – [1/Ом]=[Сим] (Симменс).
Диэлектрическая проницаемость – [Ф/м].
Электрическая индукция – [К/м2].
Магнитная индукция – [В·с/м2]=[Тл] (Тесла).
Магнитный поток – [В·с]=[Вб] (Вебер).
Напряженность магнитного поля – [А/м].
Магнитодвижущая сила (МДС) – [А] (Ампервиток).
Индуктивность и взаимная индуктивность – [Вб/А]=[Гн] (Генри).
Магнитная проницаемость – [Гн/м].