студ ивт 22 материалы к курсу физики / kingsep_as_lokshin_gr_olkhov_oa_kurs_obshchei_fiziki_osnovy
.pdf
УДК 530.1 ББК 22.3 К 41
Технический университет
К и н г с е п А. С., Л о к ш и н Г. Р., О л ь х о в О. А. Курс общей физики. Основы физики. Учеб. пособие: для вузов. В 2 т. Т. I. Механика. Электричество и магнетизм. Колебания и волны. Волновая оптика / Под ред. А.С. Кингсепа. — 2-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 704 с. — ISBN 978-5-9221-0753-2.
Курс общей физики подготовлен в соответствии с программой бакалавриата по техническим специальностям и является победителем конкурса Министерства образования Российской Федерации. Курс адресован студентам технических университетов с углубленным изучением физики, а также студентам физико-математических факультетов классических университетов. Изложение ведется на современном уровне при достаточно высокой степени формализации, но математической подготовки, выходящей за рамки технического университета, у читателя не требуется — все необходимые дополнительные сведения включены непосредственно в данный курс.
Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений.
Учебное издание
КИНГСЕП Александр Сергеевич ЛОКШИН Геннадий Рафаилович ОЛЬХОВ Олег Алексеевич
КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ. ОСНОВЫ ФИЗИКИ
Том I
МЕХАНИКА. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Редакторы Артоболевская Е.С., Миртова Д.А.
Оригинал-макет: Затекин В.В. Оформление переплета: Гришина Н.В.
Подписано в печать 17.04.07. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 44,0. Уч.-изд. л. 48,8. Тираж 2000 экз. Заказ №
Издательская фирма «Физико-математическая литература» |
|
|
МАИК «Наука/Интерпериодика» |
|
ISBN 978-5-9221-0753-2 |
117997, Москва, ул. Профсоюзная, 90 |
|
|
|
9+HifJ C-LKRPNM+ |
|
E-mail: fizmat@maik.ru, fmlsale@maik.ru; |
|
|
http://www.fml.ru |
|
|
Отпечатано с готовых диапозитивов |
|
|
в ОАО «Чебоксарская типография № 1» |
|
|
428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, 15 |
|
|
|
|
|
ISBN 978-5-9221-0753-2 |
c |
ФИЗМАТЛИТ, 2001, 2007 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
10 |
Р а з д е л п е р в ы й |
|
МЕХАНИКА |
|
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
13 |
Г л а в а 1. Пространство. Время. Движение . . . . . . . . . . . . . . |
15 |
1.1. Механика и математика. Научный метод познания . . . . . . . |
15 |
1.2. Пространство и время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
1.3. Системы отсчета. Радиус-вектор движущейся точки . . . . . . |
21 |
1.4. Частицы и поля. Классическая механика Ньютона. . . . . . . . |
24 |
Вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
27 |
Г л а в а 2. Введение в кинематику. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
28 |
2.1. Кинематика материальной точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
28 |
2.2. Равномерное движение по окружности. . . . . . . . . . . . . . . . . |
31 |
2.3. Приближение абсолютно твердого тела и приближение мате- |
|
риальной точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
35 |
2.4. Преобразования Галилея и закон сложения скоростей . . . . . |
38 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
40 |
Г л а в а 3. Законы Ньютона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
41 |
3.1. Закон инерции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
41 |
3.2. Второй закон Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
43 |
3.3. Выбор единиц измерения и системы единиц. Размерности |
|
физических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
46 |
3.4. Понятие импульса. Третий закон Ньютона. . . . . . . . . . . . . . |
49 |
Вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
53 |
Г л а в а 4. Примеры приложений законов Ньютона . . . . . . . . |
54 |
4.1. Исследование закона движения материальной точки . . . . . . |
54 |
4.2. Движение материальной точки под действием постоян- |
|
ной силы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
57 |
4.3. Реактивное движение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
62 |
4.4. Колебательное движение: гармонические колебания, резо- |
|
нанс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
65 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
71 |
Г л а в а 5. Работа и энергия. Закон сохранения энергии при |
|
движении материальной точки во внешнем силовом поле |
73 |
5.1. Работа и кинетическая энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
73 |
5.2. Потенциальная энергия материальной точки во внешнем си- |
|
ловом поле. Закон сохранения энергии . . . . . . . . . . . . . . . . |
78 |
5.3. О законе сохранения энергии и непотенциальных силах . . . |
84 |
4 |
Оглавление |
|
5.4. Простые примеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
88 |
|
5.5. Равновесие и устойчивость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
91 |
|
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
94 |
|
Г л а в а 6. |
Замкнутая система тел. Энергия взаимодействия |
|
и внутренняя энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
95 |
|
6.1.Особенности движения замкнутой системы из двух взаимодействующих материальных точек. Приведенная масса . . . . 95
6.2. Центр масс системы материальных точек. . . . . . . . . . . . . . . 98 6.3. Потенциальная энергия взаимодействия. Закон сохранения
энергии для замкнутой системы материальных точек . . . . . . 101 6.4. Закон всемирного тяготения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.5. Упругие и неупругие соударения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Г л а в а 7. Уравнение моментов. Динамика твердого тела . . . |
120 |
7.1. Момент импульса и момент силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
120 |
7.2. Законы Кеплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
123 |
7.3. Вращение абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси |
126 |
7.4. Следствия уравнения моментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
133 |
7.5. Трехмерное движение твердого тела. Гироскопы . . . . . . . . . |
136 |
7.6. Плоское движение твердого тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
140 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
142 |
Г л а в а 8. Элементы механики сплошных сред . . . . . . . . . . . . |
144 |
8.1. Упругие деформации. Закон Гука. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
144 |
8.2. Сдвиг и кручение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
148 |
8.3. Течение идеальной жидкости. Уравнение непрерывности . . . |
150 |
8.4. Архимедова сила. Уравнение Бернулли . . . . . . . . . . . . . . . . |
153 |
8.5. Вязкость. Течение Пуазейля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
157 |
8.6. Турбулентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
161 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
163 |
Г л а в а 9. Законы механики в неинерциальных системах от- |
|
счета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
165 |
9.1. Принцип относительности Галилея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
165 |
9.2. Законы механики в неинерциальных системах отсчета. Си- |
|
лы инерции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
167 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
175 |
Г л а в а 10. Введение в релятивистскую механику . . . . . . . . . 177
10.1.Постоянство скорости света для всех систем отсчета. Принцип относительности Эйнштейна и преобразования Лоренца 177
10.2.Следствия из преобразований Лоренца. Сокращение длины
и замедление времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 10.3. Импульс и энергия в релятивистской механике . . . . . . . . . . 186 Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Оглавление |
5 |
Р а з д е л в т о р о й |
|
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ |
|
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
191 |
Г л а в а 1. Электрическое поле в вакууме . . . . . . . . . . . . . . . . |
195 |
1.1. Электрический заряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
195 |
1.2. Электрическое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
197 |
1.3. Теорема Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
199 |
1.4. Потенциал. Понятие электрической емкости . . . . . . . . . . . . |
202 |
1.5. Уравнения Лапласа и Пуассона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
205 |
1.6. Электрический диполь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
207 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
209 |
Г л а в а 2. Электрическое поле в веществе . . . . . . . . . . . . . . . |
211 |
2.1. Проводники в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
211 |
2.2. Поляризация диэлектриков. Понятие электрической индук- |
|
ции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
213 |
2.3. Граничные условия в электростатике . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
217 |
2.4. Диэлектрики с квазиупругими и жесткими диполями . . . . . |
219 |
2.5. Пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
221 |
2.6. Энергия электрического поля в вакууме и в веществе . . . . . |
224 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
229 |
Г л а в а 3. Постоянный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
230 |
3.1. Ток как движение зарядов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
230 |
3.2. Закон сохранения заряда. Постоянный ток. . . . . . . . . . . . . . |
233 |
3.3. Закон Ома. Закон Джоуля–Ленца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
235 |
3.4. Электродвижущая сила. Правила Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . |
239 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
242 |
Г л а в а 4. Магнитное поле тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
244 |
4.1. Взаимодействие проводников с током. Понятие о магнит- |
|
ном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
244 |
4.2. Магнитные поля простейших токовых конфигураций. Век- |
|
торные свойства магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
248 |
4.3. Вектор-потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
253 |
4.4. Магнитный диполь. Понятие о магнитном моменте . . . . . . . |
255 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
260 |
Г л а в а 5. Магнитное поле в веществе . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
262 |
5.1. Микро- и макроскопическое описание поля в веществе . . . . |
262 |
5.2. Диа- и парамагнетизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
265 |
5.3. Ферромагнетизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
268 |
5.4. Граничные условия на поверхности раздела . . . . . . . . . . . . . |
272 |
5.5. Магнитные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
275 |
5.6. Эффект Холла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
277 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
278 |
6 |
Оглавление |
Г л а в а 6. Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 6.1. Индуктивность и взаимная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 6.2. Принцип Ленца. Закон Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 6.3. Интегральная и локальная форма закона электромагнит-
ной индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Г л а в а 7. Энергия и силы в магнитном поле . . . . . . . . . . . . . 288 7.1. Проводники в магнитном поле. Магнитное давление . . . . . . 288 7.2. Диполь в магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 7.3. Энергия магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.4. Подъемная сила электромагнита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Г л а в а 8. Квазистационарное электромагнитное поле. . . . . . 302
8.1. Условие квазистационарности электрической цепи. Релаксационные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
8.2. Колебательный контур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 8.3. Вынужденные колебания. Переменный ток . . . . . . . . . . . . . 309 8.4. Скин-эффект. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Г л а в а 9. Уравнения Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 9.1. Ток смещения. Обобщение теоремы о циркуляции . . . . . . . . 321 9.2. Уравнения электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 9.3. Теорема Пойнтинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 9.4. Импульс электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Г л а в а 10. Электромагнитные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 10.1. Вопросы волновой динамики. Волновое уравнение . . . . . . . . 333 10.2. Плоская монохроматическая волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 10.3. Электромагнитные волны в вакууме. Скорость света . . . . . . 338 10.4. Энергия и импульс электромагнитной волны . . . . . . . . . . . . 341 10.5. Излучение электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Г л а в а 11. Электромагнитные волны в прозрачных средах. . 351
11.1. Распространение волн в сплошной среде. Показатель преломления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
11.2. Отражение и преломление на плоской границе . . . . . . . . . . 353 11.3. Формулы Френеля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 11.4. Поляризационные эффекты. Поток энергии через границу . . 359 11.5. Электромагнитные волны и теория относительности . . . . . . 361 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 Г л а в а 12. Элементы физики плазмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 12.1. Газовый разряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 12.2. Понятие плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Оглавление |
7 |
|
12.3. Ленгмюровские колебания и дебаевское экранирование . . . . |
375 |
|
12.4. Электромагнитные волны в плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
377 |
|
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
381 |
Р а з д е л т р е т и й |
|
|
ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН. |
|
|
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА |
|
|
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
383 |
Г л а в а 1. Кинематика колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
384 |
|
1.1. Гармонические колебания . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
384 |
1.2. Векторная интерпретация и комплексное представление гар- |
|
|
монических колебаний. Фазовая плоскость . . . . . . . . . . . . . |
386 |
|
1.3. Некоторые важные задачи сложения гармонических колеба- |
|
|
ний . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
390 |
1.4. Модулированные колебания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
395 |
|
1.5. Спектральное разложение . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
399 |
1.6. Векторные колебания. Фигуры Лиссажу . . . . . . . . . . . . . . . |
411 |
|
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
414 |
Г л а в а 2. Колебания в линейных системах . . . . . . . . . . . . . . |
416 |
|
2.1. Примеры простейших |
колебательных систем. Общ- |
|
ность уравнений, описывающих колебания различной |
|
|
физической природы . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
416 |
2.2. Свободные колебания гармонического осциллятора . . . . . . . |
420 |
|
2.3. Превращения энергии при свободных колебаниях гармони- |
|
|
ческого осциллятора . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
421 |
2.4. Затухающие колебания гармонического осциллятора . . . . . . |
425 |
|
2.5. Связанные осцилляторы . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
434 |
2.6. Вынужденные колебания гармонического осциллятора (гар- |
|
|
моническая внешняя сила) |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
438 |
2.7. Гармонические колебания в линейных стационарных систе- |
|
|
мах . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
445 |
2.8. Спектральный анализ линейных колебательных систем . . . . |
448 |
|
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
457 |
Г л а в а 3. Параметрические |
колебания. Ангармонический |
|
осциллятор. Автоколебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
458 |
|
3.1. Параметрические колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
458 |
|
3.2. Ангармонический осциллятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
461 |
|
3.3. Автоколебания . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
464 |
3.4. Автогенератор Ван-дер-Поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
466 |
|
Г л а в а 4. Кинематика волн . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
474 |
4.1. Основные понятия и определения. Простейшие типы волн. |
|
|
Волновое уравнение . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
474 |
8 |
Оглавление |
4.2. Монохроматические волны. Комплексная амплитуда. Урав- |
|
нение Гельмгольца . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 |
4.3. Векторные волны . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 |
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 |
Г л а в а 5. Упругие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 5.1. Продольные упругие волны в твердом теле . . . . . . . . . . . . . 487 5.2. Упругие волны в жидкостях и газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 5.3. Плотность и поток энергии в упругой волне. Вектор Умова 492 5.4. Стержень, закрепленный на концах. Собственные моды ко-
лебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 5.5. Поведение звука на границе раздела двух сред . . . . . . . . . . 499 5.6. Поперечные волны в струне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 5.7. Общие выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 5.8. Эффект Доплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
Г л а в а 6. Электромагнитные волны . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 508 |
6.1. Уравнения Максвелла и волновое уравнение . . . . . . . . |
. . . . 508 |
6.2. Поляризация электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 513 |
6.3. Энергетические характеристики электромагнитных |
волн. |
Вектор Пойнтинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 514 |
6.4. Стоячая электромагнитная волна . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 517 |
6.5. Излучение колеблющегося диполя . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 518 |
6.6. Отражение электромагнитной волны от идеального провод- |
|
ника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 522 |
6.7. Волноводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 524 |
6.8. Электромагнитная волна на границе раздела двух диэлек- |
|
триков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 527 |
Г л а в а 7. Интерференция волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 529 |
7.1. Принцип суперпозиции волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 529 |
7.2. Интерференция монохроматических волн. . . . . . . . . . . |
. . . . 530 |
7.3. Квазимонохроматические волны. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 535 |
7.4. Функция когерентности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 541 |
7.5. Интерференция квазимонохроматических волн . . . . . . |
. . . . 544 |
7.6. Связь функции когерентности и распределения энергии по |
|
спектру. Соотношение неопределенностей . . . . . . . . . . |
. . . . 549 |
7.7. Пространственная когерентность и интерференционные яв- |
|
ления при использовании протяженных источников . . . |
. . . . 553 |
7.8. Интерферометры и интерферометрия . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 559 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 562 |
Г л а в а 8. Дифракция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 563 |
8.1. Граничные условия Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 565 |
8.2. Спектральный метод решения задачи дифракции (метод Рэ- |
|
лея) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . 569 |
Оглавление |
9 |
8.3. Дифракция на периодических структурах (эффект Талбота) |
576 |
8.4. Область геометрической оптики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
578 |
8.5. Дифракция Фраунгофера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
580 |
8.6. Принцип Гюйгенса–Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
583 |
8.7. Дифракция Френеля. Дифракционные задачи с осевой сим- |
|
метрией. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
585 |
8.8. Дифракция Френеля на одномерных структурах . . . . . . . . . |
592 |
8.9. Дифракция Фраунгофера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
595 |
8.10. Разрешающая способность спектральных приборов . . . . . . . |
603 |
8.11. Оптическое изображение и пространственная фильтрация. |
|
Разрешающая способность оптических систем . . . . . . . . . . . |
611 |
8.12. Принципы голографии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
623 |
8.13. Разрешающая способность голограммы . . . . . . . . . . . . . . . . |
629 |
8.14. Схема с наклонным опорным пучком . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
630 |
8.15. Объемная голограмма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
631 |
8.16. Чем отличается голографическое изображение от фотогра- |
|
фии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
635 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
636 |
Г л а в а 9. Дисперсия волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
638 |
9.1. Фазовая и групповая скорость. Формула Рэлея . . . . . . . . . . |
638 |
9.2. Дисперсия электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
644 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
651 |
Г л а в а 10. Волны в анизотропных средах. Элементы кри- |
|
сталлооптики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
653 |
10.1. Модель анизотропной среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
653 |
10.2. Волны в одноосных кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
655 |
10.3. Преломление на границе анизотропной среды, двойное луче- |
|
преломление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
660 |
10.4. Дихроизм. Поляризаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
663 |
10.5. Электрооптические и магнитооптические эффекты . . . . . . . . |
664 |
Вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
670 |
Г л а в а 11. Элементы нелинейной оптики. . . . . . . . . . . . . . . . |
672 |
11.1. Модель нелинейной среды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
672 |
11.2. Эффект удвоения частоты. Оптическое выпрямление . . . . . . |
673 |
11.3. Генерация третьей гармоники. Самофокусировка и самокана- |
|
лизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
680 |
11.4. Параметрические процессы в нелинейных средах. . . . . . . . . |
684 |
11.5. Комбинационное рассеяние света. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
687 |
11.6. Вынужденное комбинационное рассеяние . . . . . . . . . . . . . . |
689 |
11.7. Вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна (ВРМБ) 691 |
|
11.8. Обращение волнового фронта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
693 |
Именной указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
697 |
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
698 |
Предисловие
То что мы сейчас понимаем под словом «физика», сформировалось как наука совсем недавно, примерно 200 лет тому назад. До этого все ученые назывались «естествоиспытателями», а в древние времена просто «философами». По-гречески «фило» — значит «любить», а «софия» — мудрость. Поэтому философами называли людей, любивших мыслить. Конечно, человек всегда задумывался над тем, как произошел мир, что лежит «в основе вещей», почему планеты движутся по небосклону, камень скатывается с горы в ущелье и т. п. Инстинктивно, начиная с глубокой древности, наши предки пытались обобщить свои наблюдения над окружающим миром таким образом, чтобы придать им предсказательную силу, пытаясь определить заранее, когда наступит засуха, произойдет затмение Солнца или наводнение. Со временем багаж познаний древних естествоиспытателей пополнялся, одновременно расширялся и круг вопросов. Сегодня под естественными науками мы понимаем те области знания, в которых может быть проведен эксперимент, т. е. проверка тех предположений, моделей, которые следуют из вновь выдвинутых или хорошо известных теорий, из анализа проведенных опытов. Тем самым, естественные науки существенно расширили свою методологию по сравнению с философией, превратившись из чисто созерцательных в экспериментальные.
Физика — одна из естественно-научных дисциплин, точное определение которой дать очень трудно, а может быть, и невозможно. Физика тесно переплетена со многими другими дисциплинами, которые зачастую выделились в самостоятельные области исследований. Не всегда легко провести грань между собственно физикой и механикой, между атомной физикой и химией; существуют также и пограничные науки (например, биофизика, химическая физика), активно использующие физические методы для решения задач другой области знания либо технических приложений. Впрочем, одну отличительную черту физики можно указать точно: физика — это наука об основополагающих закономерностях, определяющих процессы и явления в природе. Ее основная задача — выявлять фундаментальные черты нашего мира, предоставляя другим наукам основы знаний, открывая новые возможности инженерных решений, прорыв в новые технологии. Физика тесно связана с развитием нашего понимания природы, фактически она определяет современное естественно-научное мировоззрение.
Как и все естественные науки, физика — наука экспериментальная, но, как наука фундаментальная, она более всех формализована, в ней чрезвычайно важную роль играет теория. Теория в физике — не только обобщение массива экспериментальной информации, но и метод исследования, связанный с разработкой предположений и постановкой экспериментальных задач. Но надо четко представлять себе, что теоретические выводы признаются в физике фактом лишь после их полного экспериментального подтверждения, оставаясь до того лишь гипотезами.