Т.І.Трофімова

Курс Фізики

Видання друге, виправлене і доповнене Допущено Державним комітетом СРСР по народній освіті в якості навчального посібника для студентів технічних спеціальностей вищих учбових закладів Москва "Вища школа" 1990

ББК 22.3 Т70 УДК 53 Рецензенти: кафедра фізики Ленінградського політехнічного інституту ім. М. И. Калініна; кафедра фізики Уральського політехнічного інституту ім. С. М. Кірова Трофімова Т. И. Т70 Курс фізики : Навчань. посібник для вузів.-2-е видавництва, перероб. і доп.- М.: Висш. шк., 1990.- 478 с.: мул. ISBN 5-06-001540-8 Посібник складений відповідно до програми по фізиці для студентів внз. Воно складається з семи частин, в яких викладаються фізичні основи механіки, молекулярної фізики і термодинаміки, електрики і магнетизму, оптики, квантової фізики атомів, молекул і твердих тіл, фізики атомного ядра і елементарних часток. У посібнику встановлюється логічна спадкоємність і зв'язок між класичною і сучасною фізикою. У друге видання (1-е- 1985 р.) внесені зміни, приведені контрольні питання і завдання для самостійного вирішення. Т 1604010000 (4309000000) - 363 ББК 22.3 001(01)-90 102-90 ⁵³

ISBN 5-06-001540-8 © Т. І. Трофімова, 1990

Учбове видання Трофімова Таїсія Іванівна КУРС ФІЗИКИ Зав. редакцією Є. С. Грідасова Редактор Л. С. Кулікова Молодший редактор Н. П. Майкова Художній редактор В. І. Пономаренко Художник Ю. Д. Федічкін Технічний редактор Г. А. Фетісова Коректор Г. І. Кострікова ИБ № 8563 Видавництво № ФМ- 14. Здано в набір 17.08.89. Подп, в друк 03.05.90. Формат 70Х 1001/16. Бум. офс. № 2. Гарнітура літературна. Друк офсетний. Об'єм 39,00 уел. печ. л. 78,00 усл. кр.-отт. 40,26 уч.-изд. л. Наклад 100000 экз. Зак. № 298. Ціна 1 р. 70 до. Видавництво "Вища школа", 101430, Москва, Неглиниста вул., д. 29/14. Ордени Жовтневої Революції, ордени Трудового Червоного Прапора Ленінградське виробничо-технічне об'єднання "Друкарський Двір" імені А, М. Горького при Госкомпечати СРСР. 197136, Ленінград, П- 136, Чкаловскій пр, 15

Передмова Навчальний посібник написаний відповідно до діючої програми курсу фізики для інженерно-технічних спеціальностей вищих учбових закладів.

Невеликий об'єм навчального посібника досягнутий за допомогою ретельного відбору і лаконічного викладу матеріалу.

Книга складається з семи частин. У першій частині даний систематичний виклад фізичних основ класичної механіки, а також розглянуті елементи спеціальної (приватною) теорії відносності. Друга частина присвячена основам молекулярної фізики і термодинаміки. У третій частині вивчаються електростатика, постійний електричний струм і електромагнетизм. У четвертій частині, присвяченій викладу коливань і хвиль, механічні і електромагнітні коливання розглядаються паралельно, вказуються їх схожість і відмінності і порівнюються фізичні процеси, що відбуваються при відповідних коливаннях. У п'ятій частині розглянуті елементи геометричної і електронної оптики, хвилева оптика і квантова природа випромінювання. Шоста частина присвячена елементам квантової фізики атомів, молекул і твердих тіл. В сьомій частині викладаються елементи фізики атомного ядра і елементарних часток.

Виклад матеріалу ведеться без громіздких математичних викладень, належна увага звертається на фізичну суть явищ та понять і законів, що описують їх, а також на спадкоємність сучасної і класичної фізики. Позначення і одиниці фізичних величин відповідають Державним стандартам СРСР і стандартам СЕВ.

При підготовці другого видання наново написані деякі параграфи, внесені виправлення і доповнення по усьому курсу, розширений ілюстративний матеріал. До кожної глави дані контрольні питання і завдання.

Для позначення векторних величин на усіх малюнках і в тексті використаний напівжирний шрифт, за винятком величин, позначених грецькими буквами, які з технічних причин набрані в тексті світлим шрифтом із стрілкою. Справжній курс призначений для студентів вищих технічних учбових закладів денної форми навчання з обмеженим числом годин по фізиці, з можливістю його використання на вечірній і заочній формах навчання.

Автор виражає глибоку вдячність колегам і читачам, чиї доброзичливі зауваження і побажання сприяли поліпшенню книги. Автор вважає своїм боргом подякувати кафедру фізики Уральського політехнічного інституту і кафедру експериментальної фізики Ленінградського політехнічного інституту, що узяли на себе працю рецензування рукопису при підготовці другого видання.

Автор буде вдячний за зауваження і поради з поліпшення посібника. Прохання направляти їх у видавництво "Вища школа" за адресою. 101430, Москва, ГСП- 4, Неглиниста вул., д. 29/14.

Автор

Введення

Предмет фізики та її зв'язок з іншими науками

Навколишній світ, все існуюче навколо нас і що виявляється нами за допомогою відчуттів є матерію. «Матерія є філософська категорія для позначення об'єктивної реальності, яка ... відображається нашими відчуттями, існуючи незалежно від них» (Ленін В. І. Повне. Зібр. Соч. Т. 18. с. 131). Невід'ємною властивістю матерії і формою її існування є рух. Рух в широкому сенсі слова - це всілякі зміни матерії - від простого переміщення до найскладніших процесів мислення. «Рух, що розглядається в найзагальнішому сенсі слова, тобто що розуміється як спосіб існування матерії, як внутрішньо властивий матерії атрибут, обіймає собою все, що відбуваються у Всесвіті зміни і процеси, починаючи від простого переміщення і закінчуючи мисленням» (Енгельс Ф. Діалектика природи .- К. Маркс, Ф. Енгельс. Соч. 2-е вид. т. 20. с. 391).

Різноманітні форми руху матерії вивчаються різними науками, в тому числі і фізикою. Предмет фізики, як, втім, і будь-якої науки, може бути розкритий тільки в міру його детального викладу. Дати суворе визначення предмета фізики досить складно, тому що кордони між фізикою і поряд суміжних дисциплін умовні. На даній стадії розвитку не можна зберегти визначення фізики тільки як науки про природу.

Академік А. Ф. Іоффе (1880-1960; радянський фізик) визначив фізику як науку, що вивчає загальні властивості і закони руху речовини і поля. В даний час загальновизнано, що всі взаємодії здійснюються за допомогою полів, наприклад гравітаційних, електромагнітних, полів ядерних сил. Поле поряд з речовиною є однією з форм існування матерії. Нерозривний зв'язок поля і речовини, а також відмінність в їх властивості будуть розглянуті в міру вивчення курсу.

Фізика - наука про найбільш простих і разом з тим найбільш загальних формах руху матерії і їх взаємних перетвореннях. Досліджувані фізикою форми руху матерії (механічна, теплова та ін.) Присутні у всіх вищих і складніших формах руху матерії (хімічних, біологічних та ін.). Тому вони, будучи найбільш простими, є в той же час найбільш загальними формами руху матерії. Вищі і більш складні форми руху матерії - предмет вивчення інших наук (хімії, біології та ін.).

Фізика тісно пов'язана з природничими науками. Як сказав академік С. І. Вавілов (1891 -1955; радянський фізик і громадський діяч), цей найтісніший зв'язок фізики з іншими галузями природознавства привів до того, що фізика найглибшим корінням вросла в астрономію, геологію, хімію, біологію та інші природні науки. В результаті утворився ряд нових суміжних дисциплін, таких, як астрофізика, геофізика, фізична хімія, біофізика та ін.

Фізика тісно пов'язана і з технікою, причому цей зв'язок носить двосторонній характер. Фізика виросла з потреб техніки (розвиток механіки у стародавніх греків, наприклад, було викликано запитами будівельної та військової техніки того часу), і техніка, в свою чергу, визначає напрямок фізичних досліджень (наприклад, свого часу завдання створення найбільш економічних теплових двигунів викликала бурхливий розвиток термодинаміки). З іншого боку, від розвитку фізики залежить технічний рівень виробництва. Фізика - база для створення нових галузей техніки (електронна техніка, ядерна техніка і ін.).

*Усі дані наведено з біографічного довідника Ю. А. Храмова «Фізики» (М .: Наука, 1983).

Фізика тісно пов'язана і з філософією. Такі великі відкриття в галузі фізики, як закон збереження і перетворення енергії, співвідношення невизначеностей, в атомній фізиці та ін. являлися і є ареною гострої боротьби між матеріалізмом і ідеалізмом. Вірні філософські висновки з наукових відкриттів в галузі фізики завжди підтверджували основні положення діалектичного матеріалізму, тому вивчення цих відкриттів і їх філософське узагальнення грають велику роль у формуванні наукового світогляду.

Бурхливий темп розвитку фізики, її зв’язки з технікою, що ростуть, вказують на двояку роль курсу фізики у втузі : з одного боку, це фундаментальна база для теоретичної підготовки інженера, без якої його успішна діяльність неможлива, з іншої - це формування діалектико-матеріалістичного і науково-атеїстичного світогляду.

Одиниці фізичних величин

Основним методом дослідження у фізиці є досвід - засноване на практиці чуттєво - емпіричне пізнання об' єктивної дійсності, тобто Спостереження досліджуваних явищ в точно враховуються умовах, що дозволяють стежити за ходом явищ і багаторазово відтворювати його при повторенні цих умів.

Для пояснення експериментальних фактів висуваються гіпотези. Гіпотеза - це наукове припущення, що висувається для пояснення будь-якого явища і потребує перевірки на досвіді і теоретичного обгрунтування для того, щоб статі достовірною науковою теорією.

У результаті узагальнення експериментальних фактів, а також результатів діяльності людей встановлюються фізичні закони - стійкі повторювані об' єктивні закономірності, що існують в природі. Найбільш важливі закони встановлюють зв'язок між фізичними величинами, для чого необхідно ці величини вимірювати. Вимір фізичної величини є дія, що виконується за допомогою засобів вимірів для знаходження значення фізичної величини в прийнятих одиницях. Одиниці фізичних величин можна вибрати довільно, але тоді виникнуть труднощі при їх порівнянні. Тому доцільно ввести систему одиниць, що охоплює одиниці усіх фізичних величин і дозволяє оперувати з ними.

Для побудови системи одиниць довільно вибирають одиниці для декількох не залежних одна від однієї фізичних величин. Ці одиниці називаються основними. Інші ж величини і їх одиниці виводяться із законів, що зв'язують ці величини з основними. Вони називаються похідними.

У СРСР, згідно з Державним стандартом (ГОСТ 8.417-81), обов'язкова до застосування Система Інтернаціональна (СІ), яка будується на семи основних одиницях, - метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, міль, кандела - і двох додаткових - радіан і стерадіан. Метр (м) -довжина шляху, прохідного світлом у вакуумі за 1/299 792 458 с.

Кілограм (кг) - маса, рівна масі міжнародного прототипу кілограма (платіноірідіевого циліндра, що зберігається в Міжнародному бюро мір і ваги в Севрі, поблизу Парижу).

Секунда (с) - година, що дорівнює 9 192 631 770 періодів випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію - 133.

Ампер (А) - сила незмінних струму, який при проходженні по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини і мізерно малого поперечного перерізу, розташованим у вакуумі на відстані 1 м один від іншого, створює між цими провідниками силу, рівну 2 - 10-7Н на кожний метр довжини.

Кельвін (К) - 1 / 273,16 частина термодинамічної температури потрійної точки води.

Моль (моль) - кількість речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки атомів міститься в нуклідів 12С масою 0,012 кг.

Кандела (кд) - сила світла в заданому напрямку джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540 - 1012 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1 / 683Вт / пір.

Радіан (рад) - кут між двома радіусами кола, довжина дуги між якими дорівнює радіусу.

Стерадіан (ср) - тілесний кут з вершиною в центрі сфери, вирізує на поверхні сфери площу, рівну площі квадрата зі стороною, рівною радіусу сфери.

Для встановлення похідних одиниць використовують фізичні закони, що зв'язують їх з основними одиницями. Наприклад, з формули рівномірного прямолінійного руху v = s / t (s - пройдений шлях, t - година) похідна одиниця швидкості виходить рівною 1 м / с.

Розмірність фізичної величини є її вираження в основних одиницях. Виходячи, наприклад, з іншого закону Ньютона, отримаємо, що розмірність сили dimF = MLT^-2, де М - розмірність маси; L - розмірність довжини; Т - розмірність годині. Розмірності обох частин фізичних рівності повинні бути однаковими, так як фізичні закони не можуть залежати від вибору одиниць фізичних величин.

Виходячи з цього можна перевіряти правильність отриманих фізичних формул (наприклад, при вирішенні завдань), а також встановлювати розмірності фізичних величин.

Фізичні основи механіки

Механіка - частина фізики, яка вивчає закономірності механічного руху і причини, що викликають або змінюють цей рух. Механічний рух - ця зміна з часом взаємного розташування тіл або їх частин.

Розвиток механіки як науки починається з III ст. до н. э., коли старогрецький вчений Архімед (287-212 до н. э.) сформулював закон рівноваги важеля і закони рівноваги плаваючих тел. Основні закони механіки встановлені італійським фізиком і астрономом Г. Галілеєм (1564-1642) і остаточно сформульовані англійським вченим И. Ньютоном (1643-1727).

Механіка Галілея - Ньютона називається класичною механікою. У ній вивчаються закони руху макроскопічних тіл, швидкості яких малі в порівнянні зі швидкістю світла у вакуумі. Закони руху макроскопічних тіл зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю с, вивчаються релятивістською механікою, грунтованою на спеціальній теорії відносності, сформульованою А.Эйнштейном (1879-1955). ля опису руху мікроскопічних тіл (окремі атоми і елементарні частки) закони класичної механіки непридатні - вони замінюються законами квантової механіки.

У першій частині нашого курсу ми матимемо справу з механікою Галілея - Ньютона, т. е. розглядатимемо рух макроскопічних тіл зі швидкостями, значно меншими швидкості с. В класичній механіці загальноприйнята концепція простору і часу, розроблена И. Ньютоном і що панувала в природознавстві упродовж XVII - XIX вв. Механіка Галілея - Ньютона розглядає простір і час як об'єктивні форми існування матерії, але у відриві один від одного і від руху матеріальних тіл, що відповідало рівню знань того часу.

Оскільки механічний опис наочно і звично і з його допомогою можна пояснити багато фізичних явищ, в XIX ст. деякі фізики стали зводити усі явища до механічних. Ця точка зору відповідала філософському механістичному матеріалізму. Подальший розвиток фізики показав, проте, що багато фізичних явищ не можуть бути зведені до простого виду руху - механічного. Механістичний матеріалізм повинен був поступитися місцем матеріалізму діалектичному, що розглядає загальніший вигляд руху матерії і враховує усю різноманітність реального світу.

Механіка ділиться на три розділи: 1) кінематику; 2) динаміку; 3) статику.

Кінематика вивчає рух тіл, не розглядаючи причини, які цей рух обумовлюють.

Динаміка вивчає закони руху тіл і причини, які викликають або змінюють цей рух.

Статика вивчає закони рівноваги системи тел. Якщо відомі закони руху тіл, то з них можна встановити і закони рівноваги. Тому закони статики окремо від законів динаміки фізика не розглядає.