Конспект лекций эумк по дисциплине Физика, иээ о. И. Лубенченко 12 2020
 Скачать 7.51 Mb.
|
|
НИУ «МЭИ» Конспект лекций ЭУМК по дисциплине «Физика», ИЭЭ О. И. Лубенченко 12.7.2020 1 I СЕМЕСТР....................................................................................................................................................... 13 ЛЕКЦИЯ 1 .................................................................................................................................................. 13 0. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МАТЕРИИ .............................................................................................. 13 0.1. ЭЛЕМЕНТЫ ЗНАНИЙ .......................................................................................................... 13 0.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ .................................................... 13 0.3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ........................................................... 14 0.4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ........................................................................................... 14 1.1. ПРЕДМЕТ МЕХАНИКИ ............................................................................................................ 16 1.1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ................................................................................................... 16 1.1.2. СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ ............................................................. 16 1.1.3. КЛАССИЧЕСКАЯ И РЕЛЯТИВИСТСКАЯ МЕХАНИКА ....................................... 17 1.2. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ ...................................................................... 17 1.2.1. ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ ......................................................................................................... 18 1.2.2. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ................................................................................................. 18 1.2.3. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ........................................................................... 20 ЛЕКЦИЯ 2 .................................................................................................................................................. 22 1.2.3. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) .................................... 22 1.2.4. КРИВОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ ................................................................................ 23 1.3. КИНЕМАТИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА ....................................................................................... 24 1.3.1. ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ........................................................................................................... 24 1.3.2. УГЛОВЫЕ КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ..................................................... 24 1.3.3. СВЯЗЬ МЕЖДУ ЛИНЕЙНЫМИ И УГЛОВЫМИ КИНЕМАТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ............................................................................................................................. 26 ЛЕКЦИЯ 3 .................................................................................................................................................. 28 1.4. ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ ........................................................................... 28 1.4.1. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА ........................................................................................................ 28 1.4.2. ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЁТА. ИНЕРТНОСТЬ .................................. 28 1.4.3. СИЛА ....................................................................................................................................... 29 1.4.4. ЦЕНТР МАСС МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ .......................................................... 30 1.4.5. НЕКОТОРЫЕ СИЛЫ ......................................................................................................... 32 1.4.6. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ......................................................................................... 34 1.4.7. ПЛАН РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ДИНАМИКЕ .............................................................. 35 1.4.8. ИМПУЛЬС. ДРУГАЯ ФОРМА II ЗАКОНА НЬЮТОНА .......................................... 36 ЛЕКЦИЯ 4 .................................................................................................................................................. 38 1.5. ДИНАМИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА ............................................................................................. 38 1.5.1. МОМЕНТ СИЛЫ ................................................................................................................. 38 1.5.2. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ 39 2 1.5.3. МОМЕНТ ИНЕРЦИИ ......................................................................................................... 40 1.5.4. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПО ДИНАМИКЕ .................................................... 44 ЛЕКЦИЯ 5 .................................................................................................................................................. 47 1.5.5. ДИНАМИКА ПЛОСКОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЁРДОГО ТЕЛА ................................ 47 1.5.6. МОМЕНТ ИМПУЛЬСА ..................................................................................................... 48 1.6. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА .................................................................................... 49 1.7. МОМЕНТ ИМПУЛЬСА. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА ............ 50 1.7.1. МОМЕНТ ИМПУЛЬСА ..................................................................................................... 50 1.7.2. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА .................................................... 52 ЛЕКЦИЯ 6 .................................................................................................................................................. 56 1.8. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ ................................................................................................................ 56 1.8.1. КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ .......................................................................................... 56 1.8.2. РАБОТА И МОЩНОСТЬ .................................................................................................. 57 1.8.3. ТЕОРЕМА ОБ ИЗМЕНЕНИИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ............................... 59 1.8.4. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ ............................... 60 1.8.5. СВЯЗЬ СИЛЫ И ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ. ГРАДИЕНТ .......................... 63 1.8.6. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ......................... 64 ЛЕКЦИЯ 7 .................................................................................................................................................. 65 1.8.7. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ......... 65 1.9. УДАР ................................................................................................................................................ 65 1.9.1. АБСОЛЮТНО НЕУПРУГИЙ УДАР .............................................................................. 65 1.9.2. АБСОЛЮТНО УПРУГИЙ УДАР .................................................................................... 67 1.10. ПОВТОРЕНИЕ: ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ И ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ .......... 68 1.10.1. СРАВНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ЗАКОНОВ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО И ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ......................................... 68 1.10.2. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО МЕХАНИКЕ ..................................................... 69 ЛЕКЦИЯ 8 .................................................................................................................................................. 70 1.11. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ГАЛИЛЕЯ. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАЛИЛЕЯ .................................................................................................................................................................... 70 1.11.1. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАЛИЛЕЯ ................................................................................. 70 1.11.2. СЛЕДСТВИЯ ИЗ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ГАЛИЛЕЯ .............................................. 70 1.12. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ....................................................... 72 1.12.1. 4-ПРОСТРАНСТВО ......................................................................................................... 72 1.12.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА ................................................................................. 73 1.12.3. СЛЕДСТВИЯ ИЗ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ЛОРЕНЦА .............................................. 74 ЛЕКЦИЯ 9 .................................................................................................................................................. 78 1.13. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ДИНАМИКА ..................................................................................... 78 3 1.13.1. РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ИМПУЛЬС ................................................................................ 78 1.13.2. РЕЛЯТИВИСТСКОЕ УРАВНЕНИЕ ДИНАМИКИ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ ............................................................................................................................................................... 79 1.13.3. ЭНЕРГИЯ В РЕЛЯТИВИСТСКОЙ МЕХАНИКЕ .................................................... 79 1.13.4. ВЕКТОР ЭНЕРГИИ-ИМПУЛЬСА ............................................................................... 81 2.1. ПРЕДМЕТ ТЕРМОДИНАМИКИ И СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ................. 83 2.1.1. ПОСТУЛАТЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ (МКТ) ............. 83 2.1.2. МИКРОПАРАМЕТРЫ И МАКРОПАРАМЕТРЫ. СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРОСИСТЕМ ............. 84 2.1.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ................ 85 2.2. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ ...................................................................................................................... 85 2.2.1. МОДЕЛЬ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ..................................................................................... 85 2.2.2. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ ...... 86 ЛЕКЦИЯ 10 ................................................................................................................................................ 88 2.2.3. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МКТ .................................................................................... 88 2.2.4. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЕ ТОЛКОВАНИЕ АБСОЛЮТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ .............................................................................................................................. 89 2.3. I НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ ............................................................................................ 90 2.3.1. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ................................................................................................ 90 2.3.2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ..................................................... 90 2.3.3. РАБОТА ГАЗА ...................................................................................................................... 92 2.3.4. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. ТЕПЛОЁМКОСТЬ ........................................................ 93 2.3.5. I НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ .................................................................................... 93 ЛЕКЦИЯ 11 ................................................................................................................................................ 94 2.4. ПОЛИТРОПНЫЙ ПРОЦЕСС ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА........................................................ 94 2.4.1. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС (T = CONST) ......................................................... 94 2.4.2. ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС (V = CONST) ....................................................................... 94 2.4.3. ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС (P = CONST) ....................................................................... 94 2.4.4. АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС (ΔQ = 0) ............................................................................ 95 2.4.5. ПОЛИТРОПНЫЙ ПРОЦЕСС (ОБЩИЙ СЛУЧАЙ) (C = CONST)........................ 96 2.4.6. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОЁМКОСТИ ГАЗА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ....................... 97 2.5. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ ............................................................................................................ 98 2.5.1. ТЕПЛОВАЯ МАШИНА (ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ) ............................................. 98 2.5.2. ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА ........................................................................................... 99 2.5.3. ЦИКЛ КАРНО ...................................................................................................................... 99 2.5.4. ТЕОРЕМЫ КАРНО (БЕЗ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА) ....................................................101 2.6. ЭНТРОПИЯ. II НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ ..............................................................101 4 2.6.1. НЕРАВЕНСТВО КЛАУЗИУСА......................................................................................101 ЛЕКЦИЯ 12 ..............................................................................................................................................103 2.6.2. ФАЗОВОЕ ПРОСТРАНСТВО ........................................................................................103 2.6.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ВЕРОЯТНОСТЬ ............................................................103 2.6.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ЭНТРОПИИ .............................................................105 2.6.5. II НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ ................................................................................105 2.6.6. ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ .......106 2.6.7. III НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ ..............................................................................107 2.7. КЛАССИЧЕСКИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ................108 2.7.1. ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ...................................................................................108 ЛЕКЦИЯ 13 ..............................................................................................................................................110 2.7.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ПО СКОРОСТЯМ (РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСВЕЛЛА) .......................................................................................110 2.7.3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ПО ЭНЕРГИЯМ ........113 2.7.4. БАРОМЕТРИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА .............................................................................114 2.7.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСВЕЛЛА-БОЛЬЦМАНА ................................................115 ЛЕКЦИЯ 14 ..............................................................................................................................................117 2.8. РЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ......................................................................117 2.8.1. МОДЕЛЬ РЕАЛЬНОГО ГАЗА ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР- ВААЛЬСА.........................................................................................................................................117 2.8.2. ИЗОТЕРМЫ РЕАЛЬНОГО ГАЗА ................................................................................118 2.8.3. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА...............................................................120 2.8.4. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ..................................................................................................120 2.9. НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ .........................................................................................121 2.9.1. ДЛИНА СВОБОДНОГО ПРОБЕГА МОЛЕКУЛЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА .......121 2.9.2. ЭМПИРИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ ЯВЛЕНИЙ ПЕРЕНОСА .................................122 ЛЕКЦИЯ 15 ..............................................................................................................................................124 2.9.3. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЯВЛЕНИЙ ПЕРЕНОСА (НА ПРИМЕРЕ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ) ..................................................................................124 1.14. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ......................................................................................126 1.14.1. ВИДЫ КОЛЕБАНИЙ ....................................................................................................126 1.14.2. СВОБОДНЫЕ НЕЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ (СОБСТВЕННЫЕ) КОЛЕБАНИЯ) ................................................................................................................................126 ЛЕКЦИЯ 16 ..............................................................................................................................................131 1.14.3. СВОБОДНЫЕ ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ .....................................................131 1.14.4. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ .............................................................................133 ЛЕКЦИЯ 17 ..............................................................................................................................................137 1.15. МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ .................................................................................................137 5 1.15.1. УРАВНЕНИЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ ............................................................................137 1.15.2. ВОЛНОВОЙ ФРОНТ .....................................................................................................137 1.15.3. ГАРМОНИЧЕСКАЯ ВОЛНА .......................................................................................138 1.15.4. ВОЛНОВОЕ УРАВНЕНИЕ ..........................................................................................140 II СЕМЕСТР ...................................................................................................................................................141 ЛЕКЦИЯ 18 ..............................................................................................................................................141 3.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ............................................................................................141 3.1.1. ПОЛЕ .....................................................................................................................................141 3.1.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА ............................................................................................................................................141 3.1.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ....................................................................................142 3.1.4. СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ...............144 3.1.5. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ ПОЛЕЙ .....................................................................145 3.1.6. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА .........................................................................................146 3.1.7. МАТЕРИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ................................................................................146 3.2. ПОСТОЯННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ .............................................147 3.2.1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ .....................................................147 ЛЕКЦИЯ 19 ..............................................................................................................................................148 3.2.2. ЗАКОН КУЛОНА. РАСЧЁТ НАПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ СУПЕРПОЗИЦИИ .................................................................................................148 3.2.3. ПОТОК ВЕКТОРНОГО ПОЛЯ. ТЕОРЕМА ОСТРОГРАДСКОГО-ГАУССА ДЛЯ НАПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ .............................................................151 ЛЕКЦИЯ 20 ..............................................................................................................................................157 3.2.3. ПОТОК ВЕКТОРНОГО ПОЛЯ. ТЕОРЕМА ОСТРОГРАДСКОГО-ГАУССА ДЛЯ НАПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) .....................157 3.2.4. ПОТЕНЦИАЛ .....................................................................................................................158 3.3. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ ...........................................................164 3.3.1. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ. СВОБОДНЫЕ И СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ .............................................................................................................................................................164 3.3.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ .......................................................................................164 ЛЕКЦИЯ 21 ..............................................................................................................................................167 3.3.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ДИЭЛЕКТРИКАХ .....................................................167 ЛЕКЦИЯ 22 ..............................................................................................................................................174 3.3.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ДИЭЛЕКТРИКАХ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)..............174 3.3.4. ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ ..........................................175 3.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЁМКОСТЬ .............................................................................................177 3.4.1. ЁМКОСТЬ УЕДИНЁННОГО ПРОВОДНИКА ..........................................................177 3.4.2. ВЗАИМНАЯ ЁМКОСТЬ ДВУХ ПРОВОДНИКОВ...................................................178 6 3.4.3. КОНДЕНСАТОРЫ ............................................................................................................178 ЛЕКЦИЯ 23 ..............................................................................................................................................183 3.4.4. СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ ....................................................183 3.5. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ...............................................................184 3.5.1. ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА .....................................................184 3.5.2. ОБЪЁМНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ...............184 3.6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК .........................................................................................................186 3.6.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. СТОРОННИЕ СИЛЫ .....................................................186 3.6.2. ЗАКОН ОМА .......................................................................................................................188 3.6.3. СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ .........................................................189 3.6.4. ПРАВИЛА КИРХГОФА ...................................................................................................190 ЛЕКЦИЯ 24 ..............................................................................................................................................192 3.6.5. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА ............................................................................................192 3.7. ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ .......................................................194 3.7.1. ЗАКОН БИО-САВАРА-ЛАПЛАСА. РАСЧЁТ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ СУПЕРПОЗИЦИЙ ....................................................................................194 3.7.2. ТЕОРЕМА О ЦИРКУЛЯЦИИ ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ..........198 ЛЕКЦИЯ 25 ..............................................................................................................................................202 3.7.3. ТЕОРЕМА ОСТРОГРАДСКОГО-ГАУССА ДЛЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ .............................................................................................................................................................202 3.7.4. ВЕКТОРНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ........................................................................................203 3.8. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДВИЖУЩИЕСЯ ЗАРЯДЫ ........................204 3.8.1. ДВИЖЕНИЕ ТОЧЕЧНОГО ЗАРЯДА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ..........................204 3.8.2. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ ...................205 3.8.3. РАМКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ .............................................................207 3.8.4. РАБОТА СИЛЫ АМПЕРА ..............................................................................................208 ЛЕКЦИЯ 26 ..............................................................................................................................................209 3.8.4. РАБОТА СИЛЫ АМПЕРА (ПРОДОЛЖЕНИЕ) ......................................................209 3.9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ ...............................................................................210 3.9.1. ЗАКОН ФАРАДЕЯ-МАКСВЕЛЛА ...............................................................................210 3.9.2. САМОИНДУКЦИЯ ...........................................................................................................212 3.9.3. ВЗАИМНАЯ ИНДУКЦИЯ ..............................................................................................216 ЛЕКЦИЯ 27 ..............................................................................................................................................219 3.10. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ .....................................................................................219 3.10.1. ЭНЕРГИЯ ПРОВОДНИКА С ТОКОМ ......................................................................219 3.10.2. ЭНЕРГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОВОДНИКОВ С ТОКАМИ ....................219 3.10.3. ОБЪЁМНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ......................220 7 3.11. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ .................................................................................221 3.11.1. МАКРОТОКИ И МИКРОТОКИ. НАМАГНИЧЕННОСТЬ .................................221 3.11.2. ТЕОРЕМА О ЦИРКУЛЯЦИИ НАМАГНИЧЕННОСТИ, МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЁННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ........................................222 3.11.3. СВЯЗЬ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, НАМАГНИЧЕННОСТИ И НАПРЯЖЁННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ .......................................................................224 3.11.4. УСЛОВИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ МАГНЕТИКОВ ...........................224 ЛЕКЦИЯ 28 ..............................................................................................................................................227 3.11.5. МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ АТОМА. СПИН .............................................................227 3.11.6. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНЕТИКОВ ......................................................................228 3.11.7. ДИАМАГНЕТИЗМ .........................................................................................................228 3.11.8. ПАРАМАГНЕТИЗМ .......................................................................................................230 3.11.9. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ ....................................................................................................230 ЛЕКЦИЯ 29 ..............................................................................................................................................235 3.12. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА ...............................................................................................235 3.12.1. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА В ИНТЕГРАЛЬНОЙ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ФОРМЕ .........................................................................................235 3.12.2. ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА .....................................235 3.12.3. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ ...236 3.12.4. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОМПОНЕНТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ......238 3.12.5. СИЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КАК 4- ТЕНЗОР ............................................................................................................................................239 3.12.6. ОБЗОР: ПОСТОЯННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ..........239 ЛЕКЦИЯ 30 ..............................................................................................................................................243 3.13. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ .........................................................................243 3.13.1. СВОБОДНЫЕ НЕЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ (R = 0) ................................243 3.13.2. СВОБОДНЫЕ ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ .....................................................245 3.13.3. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ .............................................................................248 ЛЕКЦИЯ 31 ..............................................................................................................................................252 3.13.3. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) ......................................252 3.14. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ....................................................................................254 3.14.1. ВЫВОД ВОЛНОВОГО УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН .............................................................................................................................................................254 ЛЕКЦИЯ 32 ..............................................................................................................................................258 3.14.2. МОНОХРОМАТИЧЕСКАЯ ВОЛНА КАК РЕШЕНИЕ ВОЛНОВОГО УРАВНЕНИЯ ..................................................................................................................................258 3.14.3. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ .......................................................259 3.14.4. ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ..............................................................260 8 3.14.5. ОТРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ОТ ИДЕАЛЬНОГО ПРОВОДНИКА ..............................................................................................................................260 ЛЕКЦИЯ 33 ..............................................................................................................................................263 3.14.6. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДИЭЛЕКТРИКОВ ..............................................................................263 3.14.7. ФОРМУЛЫ ФРЕНЕЛЯ .................................................................................................265 III СЕМЕСТР .................................................................................................................................................267 ЛЕКЦИЯ 34 ..............................................................................................................................................267 4.1. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ..................................................267 4.1.1. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ МОНОХРОМАТИЧЕСКИХ ВОЛН. КОГЕРЕНТНОСТЬ .............................................................................................................................................................267 4.1.2. СХЕМА ЮНГА ....................................................................................................................269 4.1.3. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ ............................................................272 4.1.4. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ КОГЕРЕНТНОСТЬ ..........................275 ЛЕКЦИЯ 35 ..............................................................................................................................................277 4.2. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН .............................................................277 4.2.1. ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА-ФРЕНЕЛЯ ...........................................................................277 4.2.2. МЕТОД ЗОН ФРЕНЕЛЯ. ДИФРАКЦИЯ НА ОДНОЙ ЩЕЛИ ............................277 4.2.3. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА ..................................................................................280 4.2.4. ДИФРАКЦИЯ НА КРУГЛОМ ОТВЕРСТИИ ............................................................282 4.2.5. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ....................283 ЛЕКЦИЯ 36 ..............................................................................................................................................285 4.3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА .........................................................................................................285 4.3.1. ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ .................................................................................................285 4.3.2. ПОЛЯРИЗАТОРЫ. ЗАКОН МАЛЮ ............................................................................285 4.3.3. ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ. ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ ..........286 4.3.4. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ...................................286 4.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ ...............................................................287 4.4.1. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА ..................................................................................................287 4.4.2. РАССЕЯНИЕ СВЕТА ........................................................................................................288 4.4.3. ФАЗОВАЯ И ГРУППОВАЯ СКОРОСТИ СВЕТА ....................................................288 4.4.4. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА .......................................................................................................289 4.4.5. КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ДИСПЕРСИИ .............................289 ЛЕКЦИЯ 37 ..............................................................................................................................................293 5.1. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ .....................293 5.1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОНОВ .................................................................................293 5.1.2. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ .........................................................................................294 9 5.1.3. ЭФФЕКТ КОМПТОНА ....................................................................................................296 5.1.4. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВАЯ ДВОЙСТВЕННОСТЬ СВОЙСТВ СВЕТА .296 5.2. ГИПОТЕЗА ДЕ БРОЙЛЯ ........................................................................................................297 5.3. СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЕЙ ГЕЙЗЕНБЕРГА ...................................298 ЛЕКЦИЯ 38 ..............................................................................................................................................300 5.4. КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦЫ .................300 5.4.1. ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ .................................................................................................300 5.4.2. ИЗОБРАЖЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ОПЕРАТОРАМИ ......................300 5.4.3. ВОЗМОЖНОСТЬ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДВУХ ВЕЛИЧИН...301 5.4.4. КВАНТОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ..........................................................302 5.4.5. УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА .......................................................................................303 5.5. НЕКОТОРЫЕ КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ .............................................304 5.5.1. СВОБОДНАЯ ЧАСТИЦА С ЭНЕРГИЕЙ W ...............................................................304 5.5.2. ЧАСТИЦА В ОДНОМЕРНОЙ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЯМЕ БЕСКОНЕЧНОЙ ГЛУБИНЫ .......................................................................................................................................305 ЛЕКЦИЯ 39 ..............................................................................................................................................307 5.5.3. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ.................................307 5.5.4. ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР ..........................................................................308 5.6. АТОМ ВОДОРОДА ....................................................................................................................309 5.6.1. МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА-БОРА ..................................................................309 5.6.2. УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА ДЛЯ СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ И ЕГО РЕШЕНИЕ .......................................................................................................................................310 ЛЕКЦИЯ 40 ..............................................................................................................................................313 5.6.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР АТОМА ВОДОРОДА ............................................313 5.6.4. МОМЕНТ ИМПУЛЬСА ЭЛЕКТРОНА В АТОМЕ ...................................................315 5.6.5. СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОНА В АТОМЕ ......................................................................315 5.7. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ. ПРИНЦИП ПАУЛИ .............................................317 5.7.1. СПИН .....................................................................................................................................317 5.7.2. ПРИНЦИП НЕРАЗЛИЧИМОСТИ. ПРИНЦИП ПАУЛИ ......................................318 5.7.3. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ ..............................................................................318 5.8. СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ЛАЗЕРЫ ..................................319 5.8.1. ВРЕМЯ ЖИЗНИ СОСТОЯНИЯ ....................................................................................319 ЛЕКЦИЯ 41 ..............................................................................................................................................320 5.8.2. СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ..............................................320 5.8.3. ДВУХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА .....................................................................................320 5.8.4. ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР (ЛАЗЕР) ........................................321 10 6.1. МАКРОСИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ИХ ОПИСАНИЯ. ФАЗОВОЕ ПРОСТРАНСТВО ..................................................................................................................................................................323 6.1.1. МАКРОСИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ИХ ОПИСАНИЯ ...............................................323 6.1.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СОСТОЯНИЯ МАКРОСИСТЕМЫ 323 6.1.3. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СОСТОЯНИЯ МАКРОСИСТЕМЫ ............324 6.1.4. ФАЗОВОЕ ПРОСТРАНСТВО В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ ...........................324 ЛЕКЦИЯ 42 ..............................................................................................................................................327 6.1.5. ФАЗОВОЕ ПРОСТРАНСТВО В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ ....................................327 6.1.6. ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ...................................................................................328 6.1.7. КРИТЕРИЙ ВЫРОЖДЕНИЯ ГАЗА ...........................................................................329 6.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ПО ЭНЕРГИЯМ. ХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА ..........................................................330 ЛЕКЦИЯ 43 ..............................................................................................................................................333 6.3. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ФОТОННЫЙ ГАЗ ................................................................333 6.3.1. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ .....................................333 6.3.2. ЧЁРНОЕ И СЕРОЕ ТЕЛО. ЗАКОН КИРХГОФА .....................................................334 6.3.3. ФОТОННЫЙ ГАЗ. ПОДСЧЁТ ЧИСЛА ФОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ ОТ Ε ДО Ε + DΕ .......................................................................................................................................................336 6.3.4. СПЕКТРАЛЬНАЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ЧЁРНОГО ТЕЛА ..337 6.3.5. ЗАКОНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЁРНОГО ТЕЛА................................................................338 ЛЕКЦИЯ 44 ..............................................................................................................................................341 6.3.6. ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ ...................................................................................341 6.4. ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ В МЕТАЛЛЕ ...................................................................................342 6.4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. МОДЕЛЬ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ..................342 6.4.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ЭНЕРГИЯМ ............................................342 6.4.3. ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ ПРИ T = 0 ................................................................................344 6.4.4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ..................346 6.4.5. ТЕПЛОЁМКОСТЬ ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА ............................................................347 ЛЕКЦИЯ 45 ..............................................................................................................................................349 6.5. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ ..........................................................................349 6.6. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ПРОВОДИМОСТИ ТВЁРДЫХ ТЕЛ ..............................................351 6.6.1. РАСЩЕПЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКЕ .......................................................351 6.6.2. ЗАПОЛНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗОН ПРИ T = 0 ..........................................352 6.6.3. ДЕЛЕНИЕ ТВЁРДЫХ ТЕЛ НА ПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКИ ..................................................................................................................352 6.6.4. ПРОВОДНИКИ ..................................................................................................................353 6.6.5. ДИЭЛЕКТРИКИ ................................................................................................................354 11 6.6.6. ПОЛУПРОВОДНИКИ ......................................................................................................354 ЛЕКЦИЯ 46 ..............................................................................................................................................357 6.6.6. ПОЛУПРОВОДНИКИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) ..............................................................357 6.7. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ....................................................................................................358 6.7.1. РАБОТА ВЫХОДА ............................................................................................................358 6.7.2. КОНТАКТ ДВУХ МЕТАЛЛОВ .....................................................................................358 6.7.3. КОНТАКТ ДВУХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ................................................................360 6.7.4. ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ ..................................................................................362 6.7.5. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ .........................................................................363 ЛЕКЦИЯ 47 ..............................................................................................................................................364 6.8. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОВ .....................................................................................364 6.8.1. ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД ..........................................................................................................364 6.8.2. НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ........................................................364 6.8.3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ..............................................................367 6.8.4. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД .......................................................................................................368 6.8.5. ПЛАЗМА ..............................................................................................................................370 ЛЕКЦИЯ 48 ..............................................................................................................................................372 7.1. АТОМНОЕ ЯДРО .......................................................................................................................372 7.1.1. НУКЛОН ..............................................................................................................................372 7.1.2. СОСТАВ ЯДРА ...................................................................................................................372 7.1.3. РАЗМЕР ЯДРА ...................................................................................................................373 7.1.4. СПИН ЯДРА ........................................................................................................................373 7.1.5. МАССА И ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА ............................................................................373 7.1.6. ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ .............................................................................................................375 7.1.7. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ ........................................................................................375 7.1.8. МОДЕЛИ АТОМНОГО ЯДРА .......................................................................................375 7.2. РАДИОАКТИВНОСТЬ .............................................................................................................376 7.2.1. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА .................................................................376 7.2.2. АЛЬФА-РАСПАД ..............................................................................................................377 7.2.3. БЕТА-РАСПАД ...................................................................................................................378 7.2.4. ГАММА-РАДИОАКТИВНОСТЬ ..................................................................................379 7.2.5. РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ ...........................................................................................379 ЛЕКЦИЯ 49 ..............................................................................................................................................381 7.3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ..............................................................................................................381 7.3.1. ВЫХОД ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ .....................................................................................381 7.3.2. ТИПЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ .......................................................................................381 12 7.3.3. ЭНЕРГИЯ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ ................................................................................382 7.3.4. РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ АТОМНОГО ЯДРА ...............................................................382 7.3.5. РЕАКЦИЯ СИНТЕЗА АТОМНОГО ЯДРА ................................................................383 ЛЕКЦИЯ 50 ..............................................................................................................................................385 7.4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ .............................................................................................385 7.4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ................................................385 7.4.2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ......................................................385 7.4.3. АНТИЧАСТИЦЫ ...............................................................................................................385 7.4.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ. ФЕЙНМАНОВСКИЕ ДИАГРАММЫ ..........385 7.4.5. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ...............................................................................................388 7.4.6. ЧЁТНОСТЬ. C-, P-, T-СИММЕТРИИ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЧАСТИЦ ....................389 7.4.7. СТАБИЛЬНЫЕ И ДОЛГОЖИВУЩИЕ АДРОНЫ ..................................................390 7.4.8. ЛЕПТОНЫ ...........................................................................................................................391 ЛЕКЦИЯ 51 ..............................................................................................................................................392 7.5. КВАРКОВАЯ МОДЕЛЬ АДРОНОВ .....................................................................................392 7.5.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФЕРМИОНЫ. ПОКОЛЕНИЯ ЛЕПТОНОВ И КВАРКОВ ........................................................................................................................................392 7.5.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КВАРКОВ И ОБРАЗОВАНИЕ АДРОНОВ .....................392 7.5.3. ЦВЕТ......................................................................................................................................393 7.5.4. РАСПАД КВАРКОВ ..........................................................................................................394 7.6. ТЕОРИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ...........................................395 13 |