Заключение

Итак, изложение курса физики закончено. Начав его детальное изучение с физичес­ких основ механики, мы последовательно рассмотрели основы молекулярной физики и термодинамики, учение об электричестве и электромагнетизме, колебания и волны, оптику, элементы квантовой физики и физики твердого тела, физики ядра и элементар­ных частиц. Приведенный перечень разделов, изложенных в курсе, позволяет просле­дить логику развития физики и эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления.

Со времени выхода в свет труда И. Ньютона «Математические начала натура­льной философии» (1687), в котором он сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, прошло более трехсот лет. За это время физика прошла путь от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.

Однако, несмотря на огромные успехи, которых физика достигла за это время и особенно в XX столетии, современная физика и астрофизика стоят перед целым рядом нерешенных проблем.

Например, проблемы физики плазмы — разработка методов разогрева плазмы до примерно 10⁹К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции; квантовой электроники — существенное повышение к.п.д. лазе­ров, расширение диапазона длин волн лазерного излучения с плавной перестройкой по частоте и т. д.; физики твердого тела — получение материалов с наперед заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому «спектру» характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников и т. д.; физики атомного ядра — осуществление управляемого термоядерного синтеза, поиск долгоживущих элементов сZ= 114126, предсказанных теорией, построение теории сильных взаимодействий и т.д.; физики элементарных частиц — доказательство реальности существования кварков и глюонов (частиц, осуществляющих взаимодействие между кварками), построение квантовой теории тяготения и т. д.; астрофизики — природа квазаров (мощных внегалактических источников электромагнитного излучения), при­чины вспышек сверхновых звезд, состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звезд и т.д. Поставленные проблемы требуют дальнейшего разрешения.

Оглавление

Предисловие 2

Введение 2

Предмет физики и ее связь с другими науками 2

Единицы физических величин 3

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ 4

Глава 1 Элементы кинематики 4

§ 1. Модели в механике. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения 4

§ 2. Скорость 6

§ 3. Ускорение и его составляющие 7

§ 4. Угловая скорость и угловое ускорение 9

Глава 2 Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела 11

§ 5. Первый закон Ньютона. Масса. Сила 11

§ 6. Второй закон Ньютона 11

§ 7. Третий закон Ньютона 13

§ 8. Силы трения 13

§ 9. Закон сохранения импульса. Центр масс 14

§ 10. Уравнение движения тела переменной массы 16

Глава 3 Работа и энергия 17

§11. Энергия, работа, мощность 17

§ 12. Кинетическая и потенциальная энергии 18

§ 13. Закон сохранения энергии 20

§ 14. Графическом представление энергии 22

§ 15. Удар абсолютно упругих и неупругих тел 23

Глава 4 Механика твердого тела 27

§ 16. Момент инерции 27

§ 17. Кинетическая энергия вращения 28

§ 18. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела 29

§ 19. Момент импульса и закон то сохранения 30

§ 20. Свободные оси. Гироскоп 32

§ 21. Деформации твердого тела 34

Глава 5 Тяготение. Элементы теории поля 36

§ 22. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения 36

§ 23. Сила тяжести и вес. Невесомость 38

§ 24. Поле тяготения и то напряженность 38

§ 25. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения 39

§ 26. Космические скорости 40

§ 27. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции 41

Глава 6 Элементы механики жидкостей 45

§ 28. Давление в жидкости и газе 45

§ 29. Уравнение неразрывности 46

§ 30. Уравнение Бернулли и следствия из него 46

§ 31. Вязкость (внутреннее трение). Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей 49

§ 32. Методы определения вязкости 50

§ 33. Движение тел в жидкостях и газах 51

Глава 7 Элементы специальной (частной) теории относительности 53

§ 34. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности 53

§ 35. Постулаты специальной (частной) теории относительности 54

§ 36. Преобразования Лоренца 55

§ 37. Следствия из преобразований Лоренца 56

§ 38. Интервал между событиями 59

§ 39. Основной закон релятивистской динамики материальной точки 60

§ 40. Закон взаимосвязи массы и энергии 61

2 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 63

Глава 8 Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов 63

§ 41. Статистический и термодинамический методы. Опытные законы идеального газа 63

§ 42. Уравнение Клапейрона — Менделеева 66

§ 43. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов 67

§ 44. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения 68

§ 45. Барометрическая формула. Распределение Больцмана 69

§ 46. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул 70

§ 47. Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории 71

§ 48. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах 72

§ 48. Вакуум и методы его получения. Свойства ультраразреженных газов 73

Глава 9 Основы термодинамики 75

§ 50. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул 75

§ 51. Первое начало термодинамики 76

§ 52. Работа газа при изменении его объема 77

§ 53. Теплоемкость 77

§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам 79

§ 55. Адиабатический процесс. Политропный процесс 80

§ 56. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы 81

§ 57. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью 82

§ 58. Второе начало термодинамики 83

§ 59. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. п. д. для идеального газа 84

Задачи 86

Глава 10 Реальные газы, жидкости и твердые тела 86

§ 60. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия 86

§ 61. Уравнение Ван-дер-Ваальса 88

§ 62. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ 88

§ 63. Внутренняя энергия реального газа 90

§ 64. Эффект Джоуля — Томсона 90

§ 65. Сжижение газов 91

§ 66. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение 92

§ 67. Смачивание 94

§ 68. Давление под искривленной поверхностью жидкости 95

§ 69. Капиллярные явления 95

§ 70. Твердые тела. Моно- и поликристаллы 96

§ 71. Типы кристаллических твердых тел 97

§ 72. Дефекты в кристаллах 99

§ 73. Теплоемкость твердых тел 100

§ 74. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Аморфные тела 100

§ 75. Фазовые переходы I и П рода 102

§ 76. Диаграмма состояния. Тройная точка 102

Задачи 104

3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 104

Глава 11 Электростатика 104

§ 77. Закон сохранения электрического заряда 104

§ 78. Закон Кулона 105

§ 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля 105

§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя 107

§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме 108

§ 82. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме 109

§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля 110

§ 84. Потенциал электростатического поля 110

§ 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности 111

§ 86. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля 112

§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков 113

§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике 114

§ 88. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике 115

§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред 115

§ 91. Сегнетоэлектрики 116

§ 92. Проводники в электростатическом поле 117

§ 93. Электрическая емкость уединенного проводника 119

§ 94. Конденсаторы 119

§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля 121

Задачи 122

Глава 12 Постоянный электрический ток 123

§ 96. Электрический ток, сила и плотность тока 123

§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение 124

§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников 125

§ 99. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца 126

§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи 127

§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей 127

Задачи 129

Глава 13 Электрические токи в металлах, вакууме и газах 129

§ 102. Элементарная классическая теория электропроводности металлов 129

§ 103. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов 130

§ 104. Работа выхода электронов из металла 132

§ 105. Эмиссионные явления и их применение 133

§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд 135

§ 107. Самостоятельный газовый разряд и его типы 136

§ 108. Плазма и ее свойства 138

Задачи 139

Глава 14 Магнитное поле 139

§ 109. Магнитное поле и его характеристики 139

§ 110. Закон Био — Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поля 141

§ 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов 142

§ 112. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля 143

§ 113. Магнитное поле движущегося заряда 143

§ 114. Действие магнитного поля на движущийся заряд 144

§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле 145

§ 116. Ускорители заряженных частиц 145

§ 117. Эффект Холла 147

§ 118. Циркуляция вектора В магнитного поля в вакууме 147

§ 119. Магнитные поля соленоида и тороида 148

§ 120. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В 149

§ 121. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле 150

Задачи 151

Глава 15 Электромагнитная индукция 151

§122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея) 151

§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии 152

§ 124. Вращение рамки в магнитном поле 153

§ 125. Вихревые токи (токи Фуко) 154

§ 126. Индуктивность контура. Самоиндукция 155

§ 127. Токи при размыкании и замыкании цепи 155

§ 128. Взаимная индукция 156

§ 129. Трансформаторы 157

§ 130. Энергия магнитного поля 158

Глава 16 Магнитные свойства вещества 159

§ 131. Магнитные моменты электронов и атомов 159

§ 132. Диа- и парамагнетизм 160

§ 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществе 161

§ 134. Условия на границе раздела двух магнетиков 163

§ 135. Ферромагнетики и их свойства 164

§ 136. Природа ферромагнетизма 165

Глава 17 Основы теории Максвелла для электромагнитного поля 166

§ 137. Вихревое электрическое поле 166

§ 138. Ток смещения 167

§ 139. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля 168

4 КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 170

Глава 18 Механические и электромагнитные колебания 170

§ 140. Гармонические колебания и их характеристики 170

§ 141. Механические гармонические колебания 172

§ 142. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники 172

§ 143. Свободные гармонические колебания в колебательном контуре 174

§ 144. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения 175

§ 145. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний 176

§ 146. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания 177

§ 147. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение 179

§ 148. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний (механических и электромагнитных). Резонанс 181

§ 148. Переменный ток 182

§ 150. Резонанс напряжений 183

§ 151. Резонанс токов 184

§ 152. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока 185

Глава 19 Упругие волны 186

§ 153. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны 186

§ 154. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение 187

§ 155. Принцип суперпозиции. Групповая скорость 189

§ 156. Интерференция волн 189

§ 157. Стоячие волны 190

§ 158. Звуковые волны 191

S 159. Эффект Доплере в акустике 192

§ 160. Ультразвук и его применение 193

Глава 20 Электромагнитные волны 194

§ 161. Экспериментальное получение электромагнитных волн 194

§ 162. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны 196

§ 163. Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля 196

§ 164. Излучение диполя. Применение электромагнитных волн 197

5 ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ 199

Глава 21 Элементы геометрической и электронной оптики 199

§ 165. Основные законы оптики. Полное отражение 199

§ 166. Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз 200

§ 187. Аберрации (погрешности) оптических систем 202

§ 168. Основные фотометрические величины и их единицы 203

§ 189. Элементы электронной оптики 204

Глава 22 Интерференция света 206

§ 170. Развитие представлений о природе света 206

§ 171. Когерентность и монохроматичность световых волн 208

§ 172. Интерференция света 209

§ 173. Методы наблюдения интерференции света 210

§ 174. Интерференция света в тонких пленках 212

§ 175. Применение интерференции света 213

Глава 23 Дифракция света 216

§ 176. Принцип Гюйгенса — Френеля 216

§ 177. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света 217

§ 178. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске 218

§ 178. Дифракция Фраунгофера на одной щели 219

§ 180. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке 220

§ 181. Пространственная решетка. Рассеяние света 221

§ 182. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа — Брэггов 222

§ 183. Разрешающая способность оптических приборов 222

§ 184. Понятие о голографии 224

Глава 24 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 225

§ 185. Дисперсия света 225

§ 186. Электронная теория дисперсии светя 226

§ 187. Поглощение (абсорбция) света 228

§ 188. Эффект Доплера 229

§ 189. Излучение Вавилова — Черенкова 229

Глава 25 Поляризация света 230

§ 190. Естественный и поляризованный свет 230

§ 191. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков 232

§ 192. Двойное лучепреломление 233

§ 193. Поляризационные призмы и поляроиды 234

§ 194. Анализ поляризованного света 235

§ 195. Искусственная оптическая анизотропия 236

§ 196. Вращение плоскости поляризации 237

Глава 26 Квантовая природа излучения 238

§ 197. Тепловое излучение и его характеристики 238

§ 188. Закон Кирхгофа 239

§ 199. Законы Стефана — Больцмана и смещения Вина 239

§ 200. Формулы Рэлея — Джинса и Планка 240

§ 201. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света 242

§ 202. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта 243

§ 203. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света 245

§ 204. Применение фотоэффекта 246

§ 205. Масса и импульс фотона. Давление света 247

§ 206. Эффект Комптона и его элементарная теория 248

§ 207. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения 250

6 ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ 250

Глава 27 Теория атома водорода по Бору 250

§ 208. Модели атома Томсона и Резерфорда 250

§ 209. Линейчатый спектр атома водорода 251

§ 210. Постулаты Бора 252

§ 211. Опыты Франка и Герца 253

§ 212. Спектр атома водорода по Бору 254

Глава 28 Элементы квантовой механики 255

§ 213. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества 255

§ 214. Некоторые свойства волн да Бройля 256

§ 215. Соотношение неопределенностей 257

§ 216. Волновая функция и ее статистический смысл 259

§ 217. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний 260

§ 218. Принцип причинности в квинтовой механике 262

§ 219. Движение свободной частицы 262

§ 220. Частице в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками» 263

§ 221. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект 264

§ 222. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике 266

Глава 29 Элементы современной физики атомов и молекул 267

§ 223. Атом водорода в квантовой механике 267

§ 224. 1s-Состояние электрона в атоме водорода 269

§ 225. Спин электрона. Спиновое квантовое число 270

§ 226. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны 271

§ 227. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям 272

§ 228. Периодическая система элементов Менделеева 272

§ 229. Рентгеновские спектры 274

§ 230. Молекулы: химические связи, понятие об энергетических уровнях 275

§ 231. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света 276

§ 232. Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучения 277

§ 233. Оптические квантовые генераторы (лазеры) 279

Глава 30 Элементы квантовой статистики 281

§ 234. Квантовая статистика. Фазовое пространство. Функция распределения 281

§ 235. Понятие о квантовой статистике Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака 282

§ 236. Вырожденный электронный газ в металлах 283

§ 237. Понятие о квантовой теории теплоемкости. Фононы 283

§ 238. Выводы квантовой теории электропроводности металлов 285

§ 239. Сверхпроводимость. Понятие об эффекте Джозефсона 285

Глава 31 Элементы физики твердого тела 287

§ 240. Понятие о зонной теории твердых тел 287

§ 241. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории 288

§ 242. Собственная проводимость полупроводников 289

§ 243. Примесная проводимость полупроводников 291

§ 244. Фотопроводимость полупроводников 292

§ 245. Люминесценция твердых тел 293

§ 246. Контакт двух металлов по зонной теории 295

§ 247. Термоэлектрические явления и их применение 296

§ 248. Выпрямление на контакте металл — полупроводник 297

§ 249. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход) 298

§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) 300

7 ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 301

Глава 32 Элементы физики атомного ядра 301

§ 251. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа 301

§ 252. Дефект массы и энергия связи ядра 302

§ 253. Спин ядра и его магнитный момент 303

§ 254. Ядерные силы. Модели ядра 304

§ 255. Радиоактивное излучение и его виды 305

§ 256. Закон радиоактивного распада. Правила смещения 306

§ 257. Закономерности -распада 307

§ 258. –-Распад. Нейтрино 308

§ 259. Гамма-излучение и его свойства 310

§ 260. Резонансное поглощение -излучения (эффект Мёссбауэра*) 311

§ 261. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц 313

§ 262. Ядерные реакции и их основные типы 316

§ 263. Позитрон. +-Распад. Электронный захват 317

§ 264. Открытие нейтрона. Ядерные реакции под действием нейтронов 318

§ 265. Реакция деления ядра 320

§ 266. Цепная реакция деления 321

§ 267. Понятие о ядерной энергетике 321

§ 268. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций 323

Глава 33 Элементы физики элементарных частиц 325

§ 269. Космическое излучение 325

§ 270. Мюоны и их свойства 326

§ 271. Мезоны и их свойства 326

§ 272. Типы взаимодействий элементарных частиц 327

§ 273. Частицы и античастицы 328

§ 274. Гипероны. Странность и четность элементарных частиц 330

§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки 331

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 333

Учебное издание

ТрофимоваТаисия Ивановна

КУРС ФИЗИКИ

Редактор

Г. Н. Чернышева

Художественный редактор

Ю. Э. Иванова

Художник

В. А. Маслов

Технический редактор

Л. А. Овчинникова

Корректор

Г. И. Кострикова

Оператор

С. Р. Луковенкова

ЛР № 010146 от 25.12.96. Изд. № ФМ-217

Подписано в печать с готовых диапозитивов

20.03.2000. Формат 70xl00¹/₁₆. Бум. газетная

Гарнитура «Литературная». Печать офсетная

Объем: 44,20 усл. печ. л., 44,20 усл. кр.-отт., 43,41

уч.-изд. л. Тираж 10000 экз. Заказ № 60

ГУП «Издательство «Высшая школа», 101430,

Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14

Факс: 200-03-01, 200-06-87

E-mail: V-Shkola@g23.relcom.ru http://www.v-shkola.ru

Набрано на персональном компьютере издательства

Отпечатано с готовых диапозитивов

в ГУП ИПК «Ульяновский Дом печати», 432601,

г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14

Трофимова Т. И.

Т70 Курс физики: Учеб. пособие для вузов. — 7-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2001. — 542 с.: ил.

ISBN5-06-003634-0

Курс отвечает программе по физике для студентов инженерно-технических специальностей вузов. Он состоит из семи частей, в которых излагаются физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Рационально решен вопрос об объединении механических и электромагнитных колебаний. Устанавливается логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самосто­ятельного решения.

Шестое издание вышло в 2000 г.

Для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

УДК 53

ББК 22.3