Краткий курс общей физики
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Ю.А. Барков, Г.Н. Вотинов, О.М. Зверев, А.В. Перминов
КРАТКИЙ КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 53(075) ББК 22.3я73 К78
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор В.А. Демин (Пермский государственный национальный исследовательский университет);
кандидат физико-математических наук, доцент В.В. Бурдин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
К78 Краткий курс общей физики : учеб. пособие / Ю.А. Барков, Г.Н. Вотинов, О.М. Зверев, А.В. Перминов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 407 с.
ISBN 978-5-398-01527-0
Приведены необходимые материалы для самостоятельного изучения физики, включающие в себя основные теоретические сведения, методику решения задач, контрольные и лабораторные работы, справочные материалы.
Предназначено для студентов всех специальностей.
УДК 53(075) ББК 22.3я73
ISBN 978-5-398-01527-0 |
© ПНИПУ, 2015 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение...................................................................................... |
8 |
Часть I. Теоретические основы общей физики................... |
9 |
Глава 1. Механика.................................................................... |
9 |
1.1. Кинематика...................................................................... |
9 |
1.1.1. Кинематика точки (поступательного |
|
движения)..................................................................................... |
9 |
1.1.2. Кинематика вращательного движения................ |
14 |
1.1.3. Связь между линейными и угловыми |
|
величинами................................................................................ |
17 |
Примеры решения задач........................................................... |
19 |
1.2. Динамика........................................................................ |
22 |
1.2.1. Динамика точки (поступательного движения) ... |
22 |
1.2.2. Динамика системы................................................. |
29 |
1.2.3. Динамика вращательного движения.................... |
31 |
1.2.4. Работа, мощность, энергия................................... |
35 |
Примеры решения задач........................................................... |
40 |
1.3. Колебательное движение.............................................. |
48 |
1.3.1. Характеристики колебаний.................................. |
48 |
1.3.2. Маятники................................................................ |
51 |
1.3.3. Сложение колебаний............................................. |
55 |
1.3.4. Затухающие колебания......................................... |
60 |
1.3.5. Вынужденные колебания...................................... |
63 |
1.3.6. Волновое движение............................................... |
65 |
Примеры решения задач........................................................... |
73 |
1.4. Основы гидроаэромеханики......................................... |
77 |
1.4.1. Статика жидкостей и газов................................... |
78 |
1.4.2. Движение жидкостей и газов ............................... |
79 |
Примеры решения задач........................................................... |
81 |
Глава 2. Молекулярная физика и термодинамика.......... |
83 |
2.1. Молекулярно-кинетическая теория............................. |
83 |
2.1.1. Основные положения молекулярно- |
|
кинетической теории................................................................ |
83 |
2.1.2. Уравнение состояния идеального газа. |
|
Изопроцессы.............................................................................. |
86 |
2.1.3. Средняя энергия молекул..................................... |
89 |
3
2.1.4. Закон Максвелла распределения молекул |
|
идеального газа по скоростям.................................................. |
91 |
2.1.5. Барометрическая формула. Распределение |
|
Больцмана................................................................................... |
93 |
2.1.6. Явления переноса в газах...................................... |
94 |
2.1.7. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса....... |
98 |
Примеры решения задач......................................................... |
100 |
2.2. Термодинамика............................................................ |
102 |
2.2.1. Термодинамическая система............................... |
102 |
2.2.2. Внутренняя энергия, работа и теплота. |
|
Первое начало термодинамики.............................................. |
104 |
2.2.3. Теплоемкость и внутренняя энергия |
|
идеального газа........................................................................ |
107 |
2.2.4. Адиабатический и политропические |
|
процессы................................................................................... |
110 |
2.2.5. Энтропия............................................................... |
112 |
2.2.6. КПД тепловой машины. Цикл Карно................. |
116 |
2.2.7. Второе начало термодинамики........................... |
118 |
Примеры решения задач......................................................... |
120 |
Глава 3. Электродинамика.................................................. |
123 |
3.1. Электростатика ............................................................ |
123 |
3.1.1. Электрический заряд и его свойства.................. |
123 |
3.1.2. Напряженность электростатического поля ....... |
125 |
3.1.3. Энергия взаимодействия зарядов....................... |
126 |
3.1.4. Поток напряженности электрического поля. |
|
Теорема Гаусса ........................................................................ |
130 |
3.1.5. Электростатическое поле в диэлектриках......... |
133 |
3.1.6. Проводники в электростатическом |
|
поле........................................................................................... |
138 |
3.1.7. Энергия электрического поля............................. |
142 |
Примеры решения задач......................................................... |
144 |
3.2. Постоянный электрический ток................................. |
148 |
3.2.1. Характеристики и условия существования |
|
постоянного тока..................................................................... |
148 |
3.2.2. Закон Ома.............................................................. |
151 |
3.2.3. Правила Кирхгофа ............................................... |
152 |
3.2.4. Закон Джоуля – Ленца......................................... |
153 |
Примеры решения задач......................................................... |
154 |
3.3. Магнетизм..................................................................... |
159 |
3.3.1. Основные свойства магнитного поля................. |
159 |
4
3.3.2. Закон Ампера. Сила Лоренца............................. |
164 |
3.3.3. Поток и циркуляция вектора |
|
магнитной индукции............................................................... |
167 |
3.3.4. Работа, совершаемая при перемещении тока |
|
в магнитном поле.................................................................... |
169 |
3.3.5. Магнитное поле в веществе................................ |
170 |
3.3.6. Электромагнитная индукция.............................. |
175 |
3.3.7. Энергия магнитного поля................................... |
183 |
3.3.8. Уравнения Максвелла......................................... |
185 |
Примеры решения задач......................................................... |
189 |
3.4. Электромагнитные колебания и волны..................... |
193 |
3.4.1. Колебательный контур........................................ |
193 |
3.4.2. Свободные затухающие колебания................... |
197 |
3.4.3. Вынужденные электромагнитные колебания. |
|
Полная цепь переменного тока.............................................. |
198 |
3.4.4. Мощность в цепи переменного тока.................. |
202 |
3.4.5. Электромагнитные волны................................... |
204 |
Примеры решения задач......................................................... |
207 |
Глава 4. Оптика..................................................................... |
210 |
4.1. Элементы геометрической оптики............................ |
210 |
4.1.1. Основные законы геометрической оптики....... |
210 |
4.1.2. Линзы.................................................................... |
213 |
4.1.3. Принцип Ферма................................................... |
215 |
Примеры решения задач......................................................... |
216 |
4.2. Основы волновой оптики........................................... |
218 |
4.2.1. Световая волна..................................................... |
218 |
4.2.2. Интерференция света.......................................... |
220 |
4.2.3. Дифракция............................................................ |
230 |
4.2.4. Поляризация......................................................... |
239 |
Примеры решения задач......................................................... |
244 |
4.3. Основы квантовой оптики.......................................... |
250 |
4.3.1. Тепловое излучение............................................. |
250 |
4.3.2. Фотоэффект.......................................................... |
255 |
4.3.3. Корпускулярно-волновойдуализм......................... |
260 |
Примеры решения задач......................................................... |
263 |
Глава 5. Основы атомной и ядерной физики.................. |
266 |
5.1. Строение атома............................................................ |
266 |
5.1.1. Закономерности в атомных спектрах................ |
266 |
5.1.2. Модели атома....................................................... |
267 |
5
5.2. Волновые свойства вещества...................................... |
273 |
5.2.1. Корпускулярно-волновой дуализм |
|
свойств вещества..................................................................... |
273 |
5.2.2. Принцип неопределенности................................ |
277 |
Примеры решения задач......................................................... |
280 |
5.3. Атомное ядро ............................................................... |
283 |
5.3.1. Состав и характеристики атомного ядра........... |
283 |
5.3.2. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер.... |
284 |
5.3.3. Радиоактивность. Закон радиоактивного |
|
распада...................................................................................... |
287 |
5.3.4. Ядерные реакции. Элементы ядерной |
|
энергетики................................................................................ |
290 |
5.4. Элементарные частицы............................................... |
295 |
Примеры решения задач......................................................... |
300 |
5.5. Элементы космологии................................................. |
302 |
Часть II. Контрольные и лабораторные работы............. |
306 |
1. Методические указания для самостоятельного |
|
изучения теоретической части курса............................................ |
306 |
2. Методические указания к выполнению практической |
|
части курса....................................................................................... |
308 |
3. Контрольные работы........................................................... |
310 |
Контрольная работа № 1. Механика |
|
и молекулярная физика........................................................... |
310 |
Контрольная работа № 2. Электростатика |
|
и постоянный ток..................................................................... |
326 |
Контрольная работа № 3. Магнетизм. Волновая |
|
оптика ....................................................................................... |
335 |
Контрольная работа № 4. Квантовая оптика. |
|
Атомная и ядерная физика...................................................... |
348 |
4. Лабораторные работы......................................................... |
354 |
Лабораторная работа № 1. Обработка результатов |
|
измерений на примере задачи определения объема |
|
цилиндра................................................................................... |
354 |
Лабораторная работа № 2. Маятник Обербека................ |
368 |
Лабораторная работа № 3. Физический маятник............. |
373 |
Лабораторная работа № 4. Исследование |
|
электростатических полей...................................................... |
376 |
Лабораторная работа № 5. Определение внутреннего |
|
сопротивления и ЭДС источника тока.................................. |
379 |
6
Лабораторная работа № 6. Определение магнитной |
|
индукции в межполюсном зазоре прибора |
|
магнитоэлектрической системы............................................ |
383 |
Лабораторная работа № 7. Определение длины волны |
|
света с помощью бипризмы Френеля................................... |
388 |
Лабораторная работа № 8. Изучение явления |
|
дифракции света с помощью дифракционной решетки...... |
392 |
Лабораторная работа № 9. Исследование |
|
фотоэлементов......................................................................... |
394 |
Список рекомендуемой литературы ..................................... |
398 |
Приложение............................................................................. |
399 |
7
ВВЕДЕНИЕ
Физика – наука, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.
Физические законы устанавливаются на основе обобщения опытных фактов и выражают закономерности, существующие в природе. Эти законы обычно формулируются в виде количественных соотношений между различными физическими величинами.
Для объяснения экспериментальных данных привлекаются гипотезы.
Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства для того, чтобы стать научной теорией или законом. Правильность высказанной гипотезы проверяется постановкой соответствующих опытов. Успешно прошедшая такую проверку и доказанная гипотеза превращается в научную теорию или закон.
Физическая теория представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих закономерности явлений природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения.
8
ЧАСТЬ I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
1. МЕХАНИКА
Механика – раздел физики, в котором изучается механическое движение.
Механическое движение – изменение положения данного тела (или частей тела) относительно других тел, происходящее во времени и пространстве.
1.1. Кинематика
Кинематика – раздел механики, в котором изучается механическое движение как геометрическое перемещение в пространстве.
1.1.1. Кинематика точки (поступательного движения)
Материальная точка – тело, размеры которого несущественны (ими можно пренебречь) в рамках какой-либо конкретной задачи.
Абсолютно твердое тело – тело, у которого расстояние между любыми двумя его точками неизменно.
Поступательное движение абсолютно твердого тела – движение, при котором любая прямая, неизменно связанная с телом, перемещается параллельно самой себе.
Число степеней свободы i – число независимых координат, с помощью которых можно задать положение тела в пространстве.
Примеры:
1)точка в трехмерном пространстве имеет три независимых координаты (точка A(x, y, z)), следовательно, i = 3;
2)две жестко связанные точки (гантель) задаются шестью координатами, но независимыми являются только пять, так как на точки наложена одна связь – неизменность расстояния между ними (шестую координату можно определить из этого условия), поэтому
i= 6–1 = 5;
3)три жестко связанные точки, не лежащие на одной прямой, имеют девять координат и три связи, отсюда i = 9 – 3 = 6.
Системы с большим числом точек имеют также шесть степеней свободы, так как на три координаты добавленной жестко закрепленной точки достаточно трех связей. Таким образом, абсолютно твердое тело имеет шесть степеней свободы.
9
Движение относительно, поэтому для описания движения (в пространстве и времени) вводится понятие системы отсчета, которое включает в себя: 1) точку отсчета; 2) систему координат; 3) прибор для измерения времени.
Траектория – линия, вдоль которой движется точка.
Путь s – длина траектории. Единица измерения длины – метр, [s] = м.
Средняя путевая скорость vср – отношение пройденного пути к затраченному времени,
v |
|
s |
, [v] = м/с. |
(1.1) |
ср |
|
t |
|
|
Положение тела в пространстве определяется с помощью ра- диуса-вектора r, проведенного к этой точке из некоторой неподвижной точки (рис. 1.1).
|
) |
|
t |
( |
|
r |
|
O
1 |
|
|
s |
|
|
|
r |
|
|
|
|
||
|
|
|
) |
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
||
|
+ |
|
|
|
t |
|
|
|
|
( |
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
Рис. 1.1
|
Закон движения – зависи- |
|
2 |
мость радиуса-вектора r |
точки от |
времени: |
|
|
|
r r (t). |
(1.2) |
Любой вектор можно выразить через его проекции на координатные оси и единичные векторы (орты) этих осей. Вдекартовой ортогональнойсистемекоординат(рис. 1.2)
|
r x i y j z k , |
(1.3) |
|
|
x x(t); |
|
|
|
где y y(t); |
|
|
|
|
|
|
|
z z(t). |
|
|
|
Перемещение r – |
вектор, |
|
|
проведенный из начальной точки |
||
|
движения |
в конечную |
(см. |
Рис. 1.2 |
рис. 1.1), |
r (t t) r (t). |
|
|
r |
(1.4) |
|
10