
- •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.
3.5. Единицы электромагнитного излучения и освещенности
Поверхностная плотность потока излучения (вектора Умова-Пойнтинга) – [Дж/м2].
Яркость света – [4π·Вт/м2].
Сила света – [кд] (кандела).
Световой поток – [4π·кд]=[лм] (Люмен).
Освещенность поверхности [лм/м2]=[лк] (Люкс).
Яркость – [кд/м2].
Приложение 4
Основные хронологические даты истории физики
460 г. – примерно 360 г. до н. э.- Демокрит – дренегреческий философ –атомист и энциклопедист. Ввел в науку понятие атомов, как исходных элементов мысленного познания вещей.
385-322 гг. до н. э. – Аристотель – древнегреческий ученый, создатель физики, автор трактатов “Physica” , “De coelo” (о небе), “Mechanica” и др.
287 г.(примерно 242 г.) до н. э. – Архимед – древнегреческий ученый, основатель статики и гидростатики.
Примерно 250-150 гг. до н. э. – Герон – древнегреческий ученый, основатель пневматики, технической механики, оптики, теории и практики физических измерений.
III век до н. э. – Эвклид – древнегреческий ученый, один из основателей геометрической оптики.
II век до н. э. – Клавдий Птолемей – древнегреческий ученый, автор трактата “ Оптика”.
973-1048 гг. н. э. – Аль-Бируни - арабский ученый, создатель теории сообщающихся сосудов и измерение удельных весов.
Примерно 980-1039 гг. н.э. – Ибн Аль-Хайтан (Альхазен) – арабский ученый (физик, астроном) – создатель учения о воздействии света на глаза.
1115-1122 гг. н.э. – Аль-Хазини – арабский ученый, издал “Книгу о весах мудрости” с таблицами удельных весов, описаниями явлений капилярности и ареометра.
1214-1292 гг. – Роджер Бэкон – английский ученый, основатель экспериментального метода в физике.
1452-1519 гг. н.э. – Леонардо да Винчи – итальянский ученый и изобретатель, основатель аэро- и гидродинамики, развил многие разделы механики (теоремы о центре тяжести тетраэдра, о разложении моментов, сложении и разложении сил; само понятие силы).
1473-1543 гг. – Николай Коперник – польский ученый – основоположник гелиоцентрической системы мира, лежащей в основе небесной механики.
1571-1630 гг. – Иоган Кеплер – немецкий ученый, известный созданием законов небесной механики и оптики сферических зеркал и линз.
1544-1603 гг. – Уильям Гильберт – английский ученый, создатель учения об электричестве и магнетизме.
1561г-1662гг.- Френсис Бэкон- английский философ – материалист, последователь атомистической философии Демокрита; описал различные формулы опытного познания природы, однако в отличие от своего современики Г. Галилея, сам их в своей деятельности не использовал.
1564-1642 гг. – Галилео Галилей – итальянский ученый, создатель классической аэростатики, телескопа, термометра, таких фундаментальных положений, как принцип инерции, принцип относительности, теория колебаний, конечность скорости света, постоянство ускорения земного притяжения для всех тел. Усовершенствовал роль физического эксперимента.
1596г.-1650гг. – Рене Декарт, французский физик, предшественник И. Ньютона в создании классической механики и оптики; его основной вклад состоит из максимальной математизации механики, введения понятий количества движения и импульса силы, уточнение понятия инерции, установление закона преломления света и объяснение явления радуги.
1642-1727 гг.– Исаак Ньютон – английский ученый, создатель классической механики и классической оптики (правда, в корпускулярной форме).
1690 г. – создание Христианом Гюйгенсом волновой теории света.
1765 г. – создание Джеймсом Уаттом паровой машины.
1784 г. – изобретение калориметра Лапласом и Лавуазье.
1706-1720 гг. – Бенджамин Франклин - американский ученый - создатель учения об электричестве, обоснование электрической природы молнии.
1775 г. – создание Алессандро Вольтом - итальянским ученым - электростатического генератора.
1784 г. – установление Шарлем Огюстом Кулоном - французским ученым - закона взаимодействия электрических зарядов.
1792 г. - открытие Алессандро Вольтом - итальянским ученым - контактной термо-ЭДС и химических батарей.
1803 г. – открытие Томасом Юнгом интерференции света.
1815 г. – создание И. Фраунгофером спектроскопии.
1820 г. – Анри Ампер, Ганс Христиан Эрстед, Био, Савар и Лаплас вывели закон магнитного взаимодействия проводников с током.
1823 г. – формирование Огюстом Френелем классической волновой теории света.
1824 г. – разработка Сади Карно идеальной тепловой машины.
1825 г. – Георг Симон Ом открыл закон протекания тока по проводнику (закон Ома).
1831 г. –1845г.- Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, явление электрохимической диссоциации, создал теорию диэлектрической поляризации, обнаружил явление магнитной поляризации света.
1831 г. – изобретён первый электрический генератор
1839 г. – изобретение Луи Дагером фотографии
1847 г. – Герман Гельмгольц окончательно сформулировал закон сохранения энергии.
1850 г. – установление Фуко и Физо величины скорости света.
1859 г. – создание Г. Кирхгофом и Р. Бумзеном спектрального анализа.
1864 г. – Джеймс Кларк Максвелл опубликовал электромагнитную теорию света.
1878 г. – Людвиг Больцман создал статистическую теорию газов.
1881 г. – международный конгресс в Париже установил первую международную систему единиц.
1885 г. – Р. Клаузиус ввел понятия энтропии, внутренней тепловой энергии.
1886 г. – опыт А. Майкельсона и У. Морли, обосновавший постоянство скорости света в любых системах координат.
1888 г. – Галилео Феррарис изобрел электрическую машину с вращающимся магнитным полем.
1893 г. – Ван дер-Ваальс вывел уравнение реального газа.
1894 г. – И.Стефан и Л.Больцман формулируют закон излучения черного тела (закон Стефана-Больцмана).
1895 г. – сначала А.С. Попов, затем Г. Маркони изобрели радио.
1895г.–открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном рентгеновских лучей.
1896 г. – открытие радиоактивности (Антуан Анри Беккерель),
1897 г. – Дж.Дж. Томпсон открыл электрон.
1899 г. – М. Планк сформулировал идею квантов.
1900 г. – рождение квантовой гипотезы (Макс Карл Эрнст Людвиг Планк),
1901 г. – создание электронной лампы (Оуэн Уилланс Ричардсон),
1902 г.– рождение фундаментальных принципов статистической физики (Джозайя Уиллард Гиббс),
1905 г.– рождение гипотезы световых квантов (Альберт Эйнштейн),
1905 г.– рождение специальной теории относительности (Альберт Эйнштейн, Жюль Анри Пуанкаре, независимо друг от друга),
1911 г. – открытие явления сверхпроводимости (Хейке Камерлинг-Оннес),
1913 г. – создание квантовой планетарной теории атома водорода (Нильс Бор),
1913 – 1917 гг. – исследование столкновений электронов с атомами (Джеймс Франк и Густав Герц),
1922 г.– экспериментальное доказательство существования спина электрона (Отто Штерн, Вальтер Герлах),
1923 г.– открытие эффекта Комптона (Артур Холли Комптон),
1924 г. – рождение принципа исключения Паули (Вольфганг Эрнст Паули),
1925 – 1927 гг.- создание квантовой теории (Нильс Бор, Вернер Гейзенберг. Макс Борн, Паскуаль Иордан, Поль Андриен Морис Дирак, Эрвин Шредингер),
1927 г.– открытие явления интерференции при отражении электронов от кристаллов (Клинтон Джосеф Дэвиссон, Лестер Джермер, Джордж Паджет Томсон),
1932 г.– год великих открытий: открытие изотопа водорода – дейтерия (Гаральд Клейтон Юри), открытие позитрона (Карл Дейвид Андерсон), открытие нейтрона (Джеймс Чедвик),
1934 г.– открытие искусственной радиоактивности (Ирен и Фредерик Жолио - Кюри),
1938 г.– открытие явления сверхтекучести жидкого гелия (Петр Леонидович Капица),
1938 г.– открытие деления атомных ядер (Отто Хан, Фриц Штрассман),
1942 г.– создание первого уранового котла, использующего ядерную реакцию (Энрико Ферми с сотруд.),
1946 г.– рождение первого компьютера (Джон фон Нейман и др.),
1947 г.– создание голографии (Деннис Габор),
1948 г.– открытие транзисторного эффекта, создание транзистора (Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Уильям Брэдфорд Шокли),
1954 г.– создание квантового генератора (Чарльз Харт Таунс, Александр Михайлович Прохоров, Николай Геннадьевич Басов),
1955 г.– открытие антипротона (Эмилио Джино Сегре, Оуэн Чемберлен и др.),
1956 г. – экспериментальное доказательство существования нейтрино (Фредерик Райнес и Клайд Лоррен Коуэн),
1956 г.– открытие несохранения четности в слабых взаимодействиях (Ли Цзун-Дао, Янг Чжань-нин, By Цзянь-сюн с сотрудниками),
1957 г.– создание микроскопической теории сверхпроводимости (Джон Бардин, Леон Купер, Джон Роберт Шриффер, Николай Николаевич Боголюбов),
1960 г.– рождение рубинового лазера (Чарльз Таунс, Артур Шавлов, Теодор Мейман ),
1957-1965гг. – открытие явлений туннелирования в твердых телах (Лео Эсаки, Айвар Джайевер, Брайан Джозефсон),
1964 г. – открытие нарушения комбинированной пространственно-зарядовой симметрии (Вэл Логодон Фитч, Джеймс Уотсон Кронин),
1965 г. – открытие реликтового фонового электромагнитного излучения (Арно Алан Пензиас, Роберт Вудрон Вильсон),
1967-1968 гг. – создание теории электрослабого взаимодействия (Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу, Абдус Салам),
1969 г.– рождение компьютерной рентгеновской томографии (Аллан Кармак, Годфри Хаупсфилд),
1974 г. – открытие G/Ψ – частицы, подтверждение с-кварков (Сэмюэл Тинг, Бертон Рихтер),
1981 г. – рождение сканирующей туннельной микроскопии (Эрнст Руска, Гердт Бинниг, Генрих Рорер),
1983 г.– открытие промежуточных векторных бозонов W, W, ZW, Z, W, Z60 (Карло Руббиа, Симон ван дер Меер с сотрудниками),
1985 г. – открытие квантового эффекта Холла (фон Клитцинг),
1986-1987 гг. – открытие высокотемпературной сверхпроводимости в керамических металлоксидах (Дж.Г. Беднорц, К.А. Мюллер, М. Такашиге и др.)