- •Введение Физика как наука. Содержание и структура физики
- •I Механика
- •1.1 Кинематика материальной точки
- •1.1.1 Понятие материальной точки. Система отсчета. Траектория, путь, перемещение Единицы измерения
- •1.1.2 Скорость и ускорение произвольно движущейся точки
- •1.1.3 Кинематика прямолинейного движения
- •1.1.4 Движение точки по окружности. Связь между линейными и угловыми кинематическими параметрами
- •1.1.5 Колебательное движение. Виды гармонических колебаний
- •1.1.6 Сложение гармонических колебаний
- •1.2 Динамика материальной точки
- •1.2.1 Законы Ньютона. Масса, сила. Закон сохранения импульса, реактивное движение
- •1.2.2 Силы в механике
- •1.2.3 Работа сил в механике, энергия. Закон сохранения энергии в механике
- •1.3 Динамика вращательного движения твердых тел
- •1.3.1 Момент силы, момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •1.3.2 Кинетическая энергия вращательного движения. Момент инерции
- •II Раздел молекулярная физика и термодинамика
- •2.1 Основные положения молекулярно-кинетической теории газов
- •2.1.1 Агрегатные состояния вещества и их признаки. Методы описания физических свойств вещества
- •2.1.2 Идеальный газ. Давление и температура газа. Шкала температур
- •2.1.3 Законы идеального газа
- •2.2 Распределение Максвелла и Больцмана
- •2.2.1 Скорости газовых молекул
- •2.3. Первое начало термодинамики
- •2.3.1 Работа и энергия в тепловых процессах. Первое начало термодинамики
- •2.3.2 Теплоемкость газа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам
- •2.4. Второе начало термодинамики
- •2.4.1. Работа тепловых машин. Цикл Карно
- •2.4.2 Второе начало термодинамики. Энтропия
- •2.5 Реальные газы
- •2.5.1 Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа
- •2.5.2 Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля—Томсона
- •III Электричество и магнетизм
- •3.1 Электростатика
- •3.1.1 Электрические заряды. Закон Кулона
- •3.1.2 Напряженность электрического поля. Поток линий вектора напряженности
- •3.1.3 Теорема Остроградского — Гаусса и его применение для расчета полей
- •3.1.4 Потенциал электростатического поля. Работа и энергия заряда в электрическом поле
- •3.2 Электрическое поле в диэлектриках
- •3.2.1 Электроемкость проводников, конденсаторы
- •3.2.2 Диэлектрики. Свободные и связанные заряды, поляризация
- •3.2.3 Вектор электростатической индукции. Сегнетоэлектрики
- •3.3 Энергия электростатического поля
- •3.3.1 Электрический ток. Законы Ома для постоянного тока
- •3.3.2 Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Работа и мощность постоянного тока
- •3.4 Магнитное поле
- •3.4.1 Магнитное поле. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов
- •3.4.2 Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Закон полного тока.
- •3.4.3 Закон Био—Савара—Лапласа. Магнитное поле прямого тока
- •3.4.4 Сила Лоренца Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях
- •3.4.5 Определение удельного заряда электрона. Ускорители заряженных частиц
- •3.5 Магнитные свойства вещества
- •3.5.1 Магнетики. Магнитные свойства веществ
- •3.5.2 Постоянные магниты
- •3.6 Электромагнитная индукция
- •3.6.1 Явления электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Токи Фуко
- •3.6.2 Ток смещения. Вихревое электрическое поле Уравнения Максвелла
- •3.6.3 Энергия магнитного поля токов
- •IV Оптика и основы ядерной физики
- •4.1. Фотометрия
- •4.1.1 Основные фотометрические понятия. Единицы измерений световых величин
- •4.1.2 Функция видности. Связь между светотехническими и энергетическими величинами
- •4.1.3 Методы измерения световых величин
- •4.2 Интерференция света
- •4.2.1 Способы наблюдения интерференции света
- •4.2.2 Интерференция света в тонких пленках
- •4.2.3 Интерференционные приборы, геометрические измерения
- •4.3 Дифракция света
- •4.3.1 Принцип Гюйгенса—Френеля. Метод зон Френеля. Зонная пластинка
- •4.3.2 Графическое вычисление результирующей амплитуды. Применение метода Френеля к простейшим дифракционным явлениям
- •4.3.3 Дифракция в параллельных лучах
- •4.3.4 Фазовые решетки
- •4.3.5 Дифракция рентгеновских лучей. Экспериментальные методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Определение длины волны рентгеновских лучей
- •4.4 Основы кристаллооптики
- •4.4.1 Описание основных экспериментов. Двойное лучепреломление
- •4.4.2 Поляризация света. Закон Малюса
- •4.4.3 Оптические свойства одноосных кристаллов. Интерференция поляризованных лучей
- •4.5 Виды излучения
- •4.5.1 Основные законы теплового излучения. Абсолютно черное тело. Пирометрия
- •4.5.2 Источники света
- •4.6 Действие света
- •4.6.1 Фотоэлектрический эффект. Законы внешнего фотоэффекта
- •4.6.2 Эффект Комптона
- •4.6.3 Давление света. Опыты Лебедева
- •4.6.4 Фотохимическое действие света. Основные фотохимические законы. Основы фотографии
- •4.7 Развитие квантовых представлений об атоме
- •4.7.1 Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарно-ядерная модель атома
- •4.7.2 Спектр атомов водорода. Постулаты Бора
- •4.7.3 Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля
- •4.7.4 Волновая функция. Соотношение неопределенности Гейзенберга
- •4.8 Физика атомного ядра
- •4.8.1 Строение ядра. Энергия связи атомного ядра. Ядерные силы
- •4.8.2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада
- •4.8.3 Радиоактивные излучения
- •4.8.4 Правила смещения и радиоактивные ряды
- •4.8.5 Экспериментальные методы ядерной физики. Методы регистрации частиц
- •4.8.6 Физика элементарных частиц
- •4.8.7 Космические лучи. Мезоны и гипероны. Классификация элементарных частиц
- •Содержание
3.1.2 Напряженность электрического поля. Поток линий вектора напряженности
Электрические заряды вносят определенные изменения в окружающее их пространство, проявляющееся, в частности, в том, что на другие, внесенные в это пространство электрические заряды, действуют определенные силы. Если в пространстве обнаруживается действие сил на электрические заряды, то говорят, что в нем существует электрическое поле. Поле так же реально, как вещество. Так же, как и вещество, является одним из видов материи, которой присуща масса и определенная энергия.
Электрическое поле изучают с помощью пробного точечного положительного заряда, величина которого своим действием не искажает заметно исследуемое поле. Помещая пробный заряд в различные точки поля, можно определять действующие на него силы, которые не будут равны во всех точках по величине и направлению. Следовательно, действие поля на один и тот же электрический заряд в одной его точке отличается от действия поля в другой ее точке.
Если в одну и ту нее точку электрического поля помещать порознь пробные заряды q1, q2, qn., то действующие силы на эти заряды будут соответственно равны F1. F2; F..;; Fn. Оказалось, что отношение F1/ q1 = F2/ q2 = ..= Fn/qn. т. е. для данной точки поля величина постоянная и не зависит от величины пробного заряда. Это отношение взято для количественной характеристики поля, обозначено буквой Е и названо напряженностью электрического поля:
Е = F/q. |
(3.2) |
Напряженность поля Е есть векторная величина; ее направление совпадает с направлением вектора силы F, действующей на положительный заряд. Из определения видно, что напряженность поля является силовой характеристикой поля. Определим напряженность электрического поля простейшего точечного заряда q. Для этого подставим в формулу напряженности из закона Кулона силу, действующую на него со стороны электрического поля:
Е = F/q = q/4πε0εr2. |
(3.3). |
Анализ данной формулы показывает, что для точечного заряда направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, а величина убывает пропорционально квадрату расстоянию от точечного заряда.
Важнейшей задачей электростатики является исследование поля, т. е. нахождение напряженности в каждой точке исследуемого пространства. Если известно электрическое поле произвольных зарядов q1 и q2 в отдельности, то естественно поставить вопрос о том, каково будет результирующее поле, образованное этими зарядами. Опыт показывает, что напряженность результирующего электрического поля определяется векторной суммой напряженностей, создаваемых накладывающимися полями. Это называется принципом наложения (суперпозиции) электрических полей.
Пусть в нашем примере E1 — напряженность поля, создаваемая зарядом q1, в точке b, напряженность же, создаваемая зарядом q2, в этой же точке пусть будет Е2 (рисунок - 3.2). На основании принципа суперпозиции результирующая напряженность в точке b равна Е = E1+ E2. Принцип суперпозиции справедлив для какого угодно числа полей:
Е = E1+ E2 + + E2 = ∑Ei |
(3.4). |
Напряженность электрического поля в различных точках пространства может быть неодинаковой, но в каждой точке поля вектор напряженность имеет определенное направление. Поэтому, электрическое поле можно изобразить графически с помощью системы линий называемых «силовыми линиями». Силовыми линиями называют линию, проведенную в электрическом поле так, что в любой точке касательная к ней совпадает с вектором напряженности (рисунок - 3.3). Силовым линиям приписываются направления электрических сил, действующих на положительные пробные заряды. Так как напряженность в каждой точке поля имеет определенное направление, то силовые линии не могут пересекаться. Силовым линиям приписывают начало у положительных зарядов и конец — у отрицательных. Иногда силовые линии могут уходить в
Рисунок - 3.2 |
Рисунок - 3.3 |
бесконечность или начинаться и кончаться в особых точках поля, в которых напряженность равна нулю. Но никогда силовые линии электростатического поля не замыкаются сами на себя, т. е. не образуют замкнутых петель. Поля, обладающие этими свойствами, называются потенциальными. Для иллюстрации на рисунке - 3.4—3.4 приведены картины силовых линий для некоторых важных частных случаев. Если напряженность поля всюду одинакова по величине и направлению, то поле называется однородным, графически оно изображается системой параллельных силовых линий (рис. 16в).
а) |
б) |
в) |
Рисунок - 3.4 |
Электрические явления имеют особую природу и не могут быть объяснены чисто механическими представлениями: изображение полей с помощью силовых линий служит удобным графическим приемом. Чтобы силовые линии отображали величину напряженности в ой или иной точке, условились проводить силовые линии так, чтобы число линий, пронизывающих единицу площади поверхности было пропорционально величине напряженности поля в данном месте. Число силовых линий, пронизывающих данную поверхность, называется потоком силовых линий (ФЕ), или потоком напряженности поля.
Пусть требуется определить поток, пронизывающий плоскую поверхность S в однородном электрическом поле (рисунок - 3.6). Выберем нормаль n к поверхности, которая составляет угол а с направлением силовых линий. Величина S0 = S cos α есть проекция
Рисунок - 3.5 |
поверхности S на плоскость, перпендикулярную к направлению силовых линий. Так как через 1 см2 площади S0 проходит Е силовых линий, то весь поток через площадь S0 будет
ФЕ = ES0 = ES cos α. |
(3.5). |
Очевидно, такой же поток пронизывает площадку S. Величина Еn = E cos α есть проекция вектора Е на направление нормали n. Таким образом, поток силовых линий через плоскую поверхность S в однородном поле равен:
ФЕ = Еn S. |
(3.6). |
Поток силовых линий есть скаляр. Из (18,1) видно, что эта величина может быть положительной и отрицательной. Если силовые линии составляют острый угол с нормалью (cos α > 1), то поток будет положительным. Если этот угол тупой (cos α < 1), то поток отрицателен.
Пусть требуется определить поток силовых линий через произвольно выбранную поверхность в данном неоднородном поле. Эту поверхность можно разбить на бесконечно малые элементы dS, которые можно считать плоскими, а поле возле них - однородным.
Рисунок - 3.6 |
Поэтому поток через любой элемент такой поверхности равен
dФЕ =EndS. |
(3.7). |
Полный поток силовых линий через произвольно выбранную поверхность S в любом неоднородном поле равен сумме потоков всех ее элементов:
ФЕ = ∫EndS, |
(3.8), |
где знак ∫ выражает интегрирование по поверхности S.