Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»

ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет»

Ю. Е. Милов, М. Л. Харейн

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ФИЗИКА

Учебное пособие

Издание второе, переработанное

М агнитогорск 2006

УДК 53:373.6/9

ББК В3

Рецензент Зав. кафедрой общей физики МаГУ, профессор В. П. Ушачёв

Э45 Милов Ю. Е., Харейн М. Л. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ФИЗИКА : Учебное пособие. Издание второе, переработанное. – Магнитогорск : МаГУ, 2006. – 298 с.

ISBN 5–86781–482–3

Составлено с учетом учебных программ по физике для средних школ, лицеев, техникумов и колледжей.

Значительно облегчает самостоятельную работу, позволяя легко ориентироваться в предмете; в достаточной степени удовлетворяет требованиям к содержанию курса элементарной физики и методике его изучения и может быть рекомендовано в качестве учебного пособия школьникам, абитуриентам, студентам и преподавателям (подробнее – смотрите предисловие).

Авторы: Ю. Е. Милов, М. Л. Харейн

В разработке данного учебного пособия принимала участие учитель физики школы № 65 Полякова Татьяна Иосифовна.

УДК 53:373.6/9

ББК В3

I SBN 5–86781–482–3 © Милов Ю. Е., Харейн М. Л., 2006

Содержание

Содержание 123

6. Колебания и волны 129

6.1. Механические колебания и волны 129

6.1.1. Колебания 129

6.1.1.1. Условия возникновения колебаний 129

6.1.1.2. Собственные, свободные и вынужденные колебания 130

6.1.1.3. Параметры колебания 131

6.1.1.4. Гармонические колебания 132

6.1.1.5. Гармонические колебания под действием силы упругости 134

6.1.1.5.1. Превращение энергии при упругих колебаниях 134

6.1.1.6. Сложение гармонических колебаний одного направления и одной частоты 134

6.1.1.7. Математический и физический маятники 135

6.1.1.7.1. Период колебаний математического маятника 136

6.1.1.8. Резонанс 136

6.1.2. Распространение колебаний в упругой среде. Волна 137

6.1.2.1. Поперечные и продольные волны 138

6.1.2.2. Параметры волны 138

6.1.2.3. Принцип Гюйгенса 140

6.1.2.4. Отражение волн 140

6.1.2.5. Преломление волн 141

6.1.2.6. Интерференция волн 142

6.1.2.7. Дифракция волн 144

6.1.2.8. Поляризация волн 144

6.1.2.9. Звуковые волны 145

6.1.2.9.1. Параметры звука 146

6.2. Электромагнитные колебания и волны 147

6.2.1. Общие положения 147

6.2.2. Электромагнитные колебания в контуре 148

6.2.2.1. Сопоставление механических и электромагнитных колебаний 149

6.2.2.2. Уравнение собственных электромагнитных колебаний 151

6.2.2.3. Собственная частота колебаний в контуре. Формула Томсона 152

6.2.2.4. Затухающие колебания 153

6.2.3. Переменный электрический ток 153

6.2.3.1. Понятие о переменном токе 153

6.2.3.2. Резистор в цепи переменного тока 154

6.2.3.3. Емкость в цепи переменного тока 154

6.2.3.4. Индуктивность в цепи переменного тока 155

6.2.3.5. Действующие значения мощности, силы и напряжения переменного тока 156

6.2.3.6. Закон Ома для переменного тока 158

6.2.3.7. Резонанс в цепи переменного тока 158

6.2.4. Автоколебания 160

6.2.4.1. Автоколебательная система 160

6.2.4.2. Генератор автоколебаний на транзисторе 161

6.2.5. Электрическая энергия 162

6.2.5.1. Получение электрической энергии 162

6.2.5.2. Генератор переменного тока (ГПТ) 162

6.2.5.3. Преобразование переменного тока. Трансформатор 164

6.2.5.4. Передача и потребление электроэнергии 165

6.2.5.5. Токи высокой частоты и их применение 166

6.2.6. Электромагнитные волны (ЭМВ) 167

6.2.6.1. Электромагнитное поле и его распространение в пространстве в виде ЭМВ 167

6.2.6.2. Открытый колебательный контур как источник ЭМВ 168

6.2.6.3. Опыты Герца. Экспериментальное обнаружение ЭМВ 169

6.2.6.4. Свойства ЭМВ 169

6.2.6.5. Скорость распространения ЭМВ. Длина ЭМВ в различных средах 171

6.2.6.6. Энергия ЭМВ 172

6.2.7. Основы радиосвязи 172

6.2.7.1. Изобретение радио 172

6.2.7.2. Принципы радиосвязи 173

6.2.7.3. Телевидение 175

6.2.7.4. Понятие о радиолокации 176

6.2.7.5. Распространение радиоволн 177

6.2.7.6. Космическое радиоизлучение 177

7. Оптика 179

7.1. Что такое оптика? 179

7.1.1. Определение скорости света 179

7.2. Развитие представлений о природе света 180

7.2.1. Электромагнитная природа света 181

7.3. Геометрическая оптика 182

7.3.1. Длина световой волны в различных средах 182

7.3.2. Отражение и преломление света 182

7.3.3. Показатель преломления 183

7.3.4. Полное отражение света 184

7.3.5. Тонкие линзы 185

7.4. Волновая оптика 190

7.4.1. Дисперсия света 190

7.4.2. Цвета тел 192

7.4.3. Связь цвета с частотой волны 192

7.4.4. Интерференция света 193

7.4.5. Интерференция в клиновидной плёнке. Определение длины световой волны 194

7.4.6. Интерференция в линзе. Кольца Ньютона 195

7.4.7. Применение интерференции 197

7.4.8. Дифракция света 197

7.4.9. Зоны Френеля 198

7.4.10. Дифракция на щели в параллельных лучах 200

7.4.11. Дифракционная решётка 202

7.4.12. Дифракционный спектр 203

7.4.13. Голография 204

7.4.14. Поляризация света 205

7.4.15. Закон Брюстера 206

7.4.16. Двойное лучепреломление 207

7.4.17. Призма Николя 208

7.4.18. Поляроиды 209

7.5. Излучение и спектры 209

7.5.1. Источники света 209

7.5.2. Спектроскоп 210

7.5.3. Спектры испускания 210

7.5.4. Спектры поглощения. Закон Кирхгофа 211

7.5.5. Спектральный анализ 211

7.5.6. Линии Фраунгофера 212

7.5.7. Эффект Доплера–Физо 212

7.5.8. Инфракрасное излучение 214

7.5.9. Ультрафиолетовое излучение 214

7.5.10. Рентгеновское излучение 215

7.5.11. Шкала электромагнитных волн 215

7.5.12. Чёрное тело. Закон теплового излучения Кирхгофа 216

7.5.13. Распределение энергии в спектре. Законы Стефана–Больцмана и Вина 218

7.5.14. Ультрафиолетовая катастрофа 219

7.5.15. Спектральные классы звёзд 220

7.6. Фотометрия 220

7.6.1. Основные понятия и определения 221

7.6.2. Законы освещенности 223

7.6.3. Яркость и светимость 225

7.6.4. Видимая звездная величина 226

7.6.5. Светимость звёзд 226

7.6.6. Абсолютная звёздная величина 227

7.7. Основы теории относительности 227

7.7.1. Классические представления о пространстве и времени 228

7.7.2. Предпосылки возникновения теории относительности 229

7.7.3. Постулаты теории относительности 231

7.7.4. Относительность одновременности 231

7.7.5. Зависимость временных промежутков от движения 232

7.7.6. Зависимость пространственных промежутков от движения 233

7.7.7. Преобразования Лоренца 235

7.7.8. Некоторые понятия релятивистской динамики 238

7.7.9. Связь между массой и энергией 239

7.8. Квантовая оптика 239

7.8.1. Фотоны 240

7.8.2. Внешний фотоэффект 241

7.8.2.1. Законы внешнего фотоэффекта 242

7.8.2.2. Теория внешнего фотоэффекта 243

7.8.2.3. Применение внешнего фотоэффекта 244

7.8.3. Внутренний фотоэффект и его применение 245

7.8.4. Эффект Комптона 246

7.8.5. Давление света. Опыт Лебедева 247

7.8.6. Химическое действие света 248

7.8.7. Фотография 248

7.8.8. Корпускулярно-волновой дуализм 249

8. Физика атома и атомного ядра 250

8.1. Развитие представлений о природе атома 250

8.1.1. Модель Томсона 252

8.1.2. Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома 252

8.2. Излучение атома водорода 254

8.2.1. Постулаты Бора 255

8.2.2. Квантовый генератор 256

8.3. Приборы для регистрации заряженных частиц 258

8.3.1. Газоразрядный счётчик Гейгера 258

8.3.2. Камера Вильсона 258

8.3.3. Пузырьковая камера 259

8.3.4. Метод толстослойных фотоэмульсий 260

8.4. Радиоактивность 260

8.4.1. Состав радиоактивного излучения 261

8.4.2. Свойства , , -излучений 261

8.4.3. Радиоактивные превращения 262

8.4.4. Закон радиоактивного распада 263

8.4.5. Изотопы 264

8.4.6. Получение радиоактивных изотопов и их применение 265

8.4.7. Биологическое действие радиоактивных излучений 265

8.5. Искусственное превращение ядер 266

8.5.1. Открытие нейтрона 267

8.5.2. Протонно-нейтронная модель ядра 268

8.5.3. Ядерные силы 268

8.5.4. Энергия связи. Дефект масс 269

8.6. Ядерные реакции 270

8.6.1. Деление ядер урана 271

8.6.2. Цепная ядерная реакция 272

8.6.3. Ядерный реактор 273

8.6.4. Термоядерная реакция. Баланс энергии 274

8.6.5. Применение ядерной энергии 275

8.7. Элементарные частицы 276

8.7.1. Открытие позитрона. Античастицы 278

8.7.2. Понятие о классификации частиц 278

8.7.3. Кварки 280

8.7.4. Типы взаимодействий частиц 280

8.7.5. Взаимные превращения вещества и поля 281

8.8. Космическое излучение 281

8.8.1. Радиационный пояс Земли 282

9. Звёзды и Вселенная 283

9.1. Общие сведения 283

9.1.1. Солнечная система 283

9.1.2. Строение Солнца и звёзд 284

9.1.3. Ядро как термоядерный реактор 284

9.1.4. Наша звёздная система – Галактика 285

9.1.5. Другие галактики 286

9.1.6. Квазары 287

9.1.7. Бесконечность Вселенной 288

9.1.8. Космология. Закон Хаббла 288

9.2. Возникновение и эволюция небесных тел 289

9.2.1. Звёзды 289

9.2.2. Планеты 291

9.2.3. Галактики 291

9.2.4. Вселенная. Реликтовое излучение 292

9.3. Научная картина мира 293

10. Литература 296

11. Приложения 298