М. Г. Валишев а. А. Повзнер
 Скачать 10.33 Mb.
|
|
САНКТ ПЕТЕРБУРГ•МОСКВА•КРАСНОДАР• 2010 М. Г. ВАЛИШЕВ А. А. ПОВЗНЕР КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ДОПУЩЕНО Научно методическим советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки и специальностям ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, СТЕРЕОТИПНОЕ © Èçäàòåëüñòâî «Ëàíü», 2010 © Ì. Ã. Âàëèøåâ, À. À. Ïîâçíåð, 2010 © Èçäàòåëüñòâî «Ëàíü», õóäîæåñòâåííîå îôîðìëåíèå, 2010 Îõðàíÿåòñÿ Çàêîíîì ÐÔ îá àâòîðñêîì ïðàâå. Âîñïðîèçâåäåíèå âñåé êíèãè èëè ëþáîé åå ÷àñòè çàïðåùàåòñÿ áåç ïèñüìåííîãî ðàçðåøåíèÿ èçäàòåëÿ. Ëþáûå ïîïûòêè íàðóøåíèÿ çàêîíà áóäóò ïðåñëåäîâàòüñÿ â ñóäåáíîì ïîðÿäêå. Îáëîæêà À. Þ. ËÀÏØÈÍ ББК 22.3я73 В 15 Валишев МГ, Повзнер А. А. В Курс общей физики Учебное пособие. 2 е изд, стер. — СПб.: Издательство Лань, 2010. — 576 сил (Учебники для вузов. Специальная литература 978 5 8114 0820 Материал, излагаемый в данном учебном пособии, приводится в краткой и доступной форме, в каждом разделе выделяются основные физические положения, формулы и законы, что позволяет наглядно проследить взаимосвязь физических явлений. Для студентов, обучающихся по техническим направлениями специальностям технических университетов. ББК 22.3я73 Рецензенты: кафедра общей физики Российского государственного профессионально педагогического университета, профессор, доктор физико математических наук АД. ИВЛИЕВ; профессор, доктор физико математических наук В. Е. СИДОРОВ (Уральский государственный педагогический университет ОТ АВТОРОВ 3 ОТ АВТОРОВ В основу данного учебного пособия положен цикл лекций, читаемых на кафедре физики Уральского государственного технического университета (УГТУ УПИ). Целью изучения курса физики является формирование опорных знаний, позволяющих выделить основополагающие опытные законы и на их основе построить схему метода познания данного круга природных явлений, выявить тенденции развития различных разделов в будущем. Физика — наука экспериментальная, и поэтому соответствующее внимание уделено историческому аспекту ее развития и тем экспериментам, которые позволяют выявить суть новых открытий и достижений. В данном пособии сначала рассматриваются явления, связанные сдвижением отдельных частиц и волна затем — системы, состоящие из большого числа взаимодействующих между собой классических частиц и частиц, обладающих волновыми свойствами. Такое построение учебного материала позволяет постепенно подвести к изучению самых сложных разделов физики и показать научную познаваемость окружающего мира. Применяемый в данном учебном пособии уровень математики соответствует программе математического образования студентов младших курсов. Необходимые для изложения материала новые математические понятия вводятся постепенно, по мере необходимости. Громоздкие расчеты опускаются, нов ряде случаев для полноты картины, для создания завершенности построения материала, для вывода каких либо законов, положений они приводятся в разделах, отмеченных звездочкой (В данном учебном пособии, согласно рекомендации Мин вуза России, принята международная система единиц (СИ, ее краткое описание приведено в Приложении Авторы выражают глубокую признательность коллегами читателям заряд полезных советов и замечаний МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ПРЕДИСЛОВИЕ Предмет физики. Все, что нас окружает (мир, природа, принято называть материей. Ей приписывают ряд наиболее общих, фундаментальных свойств. Материя является объективной реальностью, существующей независимо от нас познаваема, она копируется, отображается нашими органами чувств существует в виде вещества и полей, которые могут взаимно превращаться друг в друга существует в пространстве и во времени это формы существования материи находится в непрерывном движении. Под движением понимают всякое изменение вообще и выделяют наиболее общие формы движения материи физическую, химическую, биологическую и общественную. Самой простой из них является физическая. Поэтому физика как наука изучает простейшие и вместе стем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения. В физической форме движения материи принято выделять механическую, тепловую, электромагнитную и квантовомеханическую, в связи с чем в курсе физики рассматривают следующие разделы — механику, молекулярную физику и термодинамику, электромагнетизм, квантовую механику, физику конденсированного состояния, физику атомного ядра и элементарных частиц. Физика является основой всех естественных наук (например химии, биологии, географии, астрономии и т. д, так как физическая форма движения материи входит в более сложные формы движения каких составная часть. При этом в настоящее время нет четкой границы между физикой и естественными науками, поскольку современные физические ПРЕДИСЛОВИЕ 5 методы исследования широко внедряются в них и возникают соответственно такие дисциплины, как физическая химия, биофизика, геофизика, астрофизика и т. д. Общность законов и выводов физики приводит к ее непосредственному влиянию на философию как науку о роли и месте человека в современном мире, физика формирует естественнонаучную картину мира и материалистическое мировоззрение, показывая познаваемость мира и возможность использования открываемых закономерностей на благо человека. Физика — наука экспериментальная. Вся история развития физики показывает, что новые идеи и законы являются следствием опыта, эксперимента. В основе каждого раздела курса физики лежат фундаментальные законы физики, которые не выводятся теоретически, но являются обобщением опытных фактов. Эти законы позволяют построить логически стройную картину описания рассматриваемого круга явлений и взаимосвязи различных разделов курса физики. К таким законам можно отнести законы Ньютона в механике, три начала в термодинамике, полную систему уравнений Максвелла в электромагнетизме, уравнение Шредингера в квантовой механике. В основном в физике реализуется следующая схема познания, изучения явлений природы сначала — наблюдение какого либо нового явления в природе, проведение опытов — многократного воспроизведения данного явления в контролируемых условиях затем — объяснение результатов опытов с помощью различных гипотез, позволяющих теоретически объяснить закономерности протекания этого явления после экспериментальной проверки гипотеза либо отбрасывается, либо становится законом, позволяющим описать данную область явлений и подсказать новые явления, новые закономерности. В настоящее время изложение курса физики можно существенно упростить в связи стем, что ряд законов, открытых исторически опытным путем, выводится теоретически из фундаментальных законов физики. Например, закон электромагнитной индукции Фарадея является следствием закона сохранения энергии законы теплового излучения можно получить на основе квантовой теории излучения. Однако в таком случае искажается реальный исторический путь ее развития. Физика и математика. Любой физический образ, понятие, закон обязательно включают в себя наряду со словесным, наглядно пространственным также и аналитическое описание. Законы физики представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке, поэтому отделить физику от математики невозможно. Широкое внедрение математического аппарата привело к делению науки на экспериментальную и теоретическую физику. Применение математических методов в теоретической физике позволило не только записывать в компактной форме различные законы в виде уравнений, но и, следуя внутренней логике математических приемов, методов, получать новые результаты, которые не являются следствием опытных наблюдений. Конечно, справедливость новых формул, гипотез, полученных на кончике пера, проверяется экспериментом. Примерами таких открытий могут служить предсказание Максвеллом МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ существования электромагнитных волн, которое затем было экспериментально подтверждено Герцем, открытие античастицы — позитрона и реакции аннигиляции электрона и позитрона на основе решения уравнения, записанного Дираком. Развитие физики, в свою очередь, стимулирует развитие математики. Изучение квантовомеханической формы движения материи, физики атомного ядра и элементарных частиц, ранних этапов развития Вселенной требует разработки новых понятий и методов в математике. Физика и техника. Физика оказывает существенное влияние на развитие техники, новые отрасли в которой возникают в результате открытий враз личных областях физики. К наиболее ярким примерам можно отнести создание электротехники (открытие закона электромагнитной индукции, радиотехники (открытие электромагнитных волн, вычислительной техники, лазерной техники на основе достижений в физике твердого тела, ядерной энергетики (открытия реакций деления тяжелых ядер). Развитие физики способствует решению ряда принципиальных проблем, возникающих перед техникой и требующих создания физической картины, физического объяснения тех или иных явлений. Постоянно повышающиеся требования, предъявляемые к качеству выпускаемой продукции (экономичность ее производства, экологическая безопасность для окружающей среды и человека, требуют качественного совершенствования технологических производств, широкого внедрения методов контроля на основе новых достижений в физике. В свою очередь, техника поставляет новые, более усовершенствованные приборы и установки для физических исследований, что позволяет получать новые экспериментальные факты. Широкое внедрение вычислительной техники, вычислительных методов приводит к созданию новых направлений в физике, связанных с компьютерным моделированием процессов поведения физических систем. Физика и выпускник технического университета. Внутренняя логика построения курса физики, состоящая в постоянном переходе от изучения простых физических явлений к сложным, показывающая их познаваемость и взаимосвязь, в освоении при этом физических методов исследования природных явлений, позволяет сформировать материалистическое мировоззрение, естественнонаучную картину мира. В настоящее время возрастает роль физики в формировании научного мировоззрения и активной жизненной позиции выпускника технического университета, что связано с широким внедрением новых достижений и открытий в различных областях физики в современное производство, необходимостью решения вопросов, касающихся его модернизации. На первый план выходят такие проблемы, как экономичность производства, его экологическая безопасность, повышение качества выпускаемой продукции. Все это требует от современного выпускника как организатора производства не только качественного овладения специальными знаниями, но и умения разбираться в современном состоянии физической науки с целью применения новых разработок в производстве, в технологическом процессе ЧАСТЬ 1. МЕХАНИКА 7 Ч АС Т Ь 1 МЕХАНИКА Механика — это наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними. Ее возникновение и развитие неразрывно связано с потребностями развития практики. Раньше других разделов механики под влиянием развития строительной техники начинает развиваться статика (IV век дон. э, Древняя Греция, Аристотель и другие ученые проводили изучение прямолинейного и криволинейного движений, сформулировали правила равновесия рычага и т. д. Вплоть до XVII века происходило накопление разрозненных фактов для создания научных основ механики. Основоположником динамики является Г. Галилей, он первым верно решил задачу о движении тел под действием сил, открыл закон инерции и принцип относительности. Создание основ классической механики завершается трудами И. Ньютона, сформулировавшего основные законы механики) и открывшего закон всемирного тяготения. В его труде Математические начала натуральной философии содержалась законченная система механики, законы которой управляют большинством процессов в природе. В XVIII веке начинают интенсивно развиваться аналитические методы решения задач механики, основывающиеся на использовании дифференциального и интегрального исчислений (Л. Эйлер, И. Бернулли, Л. Карно, Ж. Фурье, Ж. Лангранж и др. Развитие механики привело к созданию новых разделов, таких как теория нелинейных колебаний, механика тел переменной массы и ракет, теория устойчивости движения, аэродинамика и газовая динамика. В современной механике рассматривается теория колебаний (особенно нелинейных) и динамика твердого тела, теория устойчивости движения, а также механика тел переменной массы и динамики космических полетов. Все большее значение приобретают задачи, требующие применения вероятностных методов расчета, в которых известны лишь вероятности сил, действующих МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ на тело. Большой круг проблем связан с изучением движения плазмы в магнитном поле, то есть с решением одной из самых актуальных проблем современной физики — осуществлением управляемого термоядерного синтеза. Уравнения и методы теоретической механики лежат в основе многих областей современной техники гидравлики, сопротивления материалов, строительной механики, кинематики механизмов, динамики машин и механизмов, теории гироскопических устройств, внешней баллистики, динамики ракет, теории движения наземных, морских и воздушных транспортных средств, теории регулирования и управления движением различных объектов и др. Механика тесно связана с другими разделами физики. Ряд понятий и методов механики при соответствующих обобщениях находят приложение в оптике, статистической физике, квантовой механике, электродинамике, теории относительности и др. В данном разделе рассматривается механическое движение материальных тел и происходящие при этом взаимодействия между ними. Под механическим движением понимают изменение стечением времени взаимного положения тел в пространстве. Для строгости и удобства изложения материала используют две модели твердых тел материальная точкам. т) — тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данного движения, и абсолютно твердое тело (ат. т) — абсолютно недеформируемое тело или тело, расстояние между двумя любыми точками которого остается постоянным при его дви жении. Линию, по которой движется тело, называют траекторией движения. Для материальной точки траекторию движения можно представить в виде сложения двух видов движений — по прямой линии и по окружности или как движение по окружностям разных радиусов от нуля до бесконечности; радиус, стремящийся к бесконечности соответствует прямолинейному движению (рис. 1.1а). Для ат. т. вводят два понятия поступательное движение, при котором любая прямая тела перемещается параллельно самой себе (АВ на рис. 1.1б), и вращательное движение вокруг неподвижной оси, когда все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения, — она также может находиться вне тела (см. О и Она рис. 1.1в. Любое движение ат. т. можно свести к сумме двух движений — поступательного и вращательного. При поступательном движении все точки дви Рис. 1.1 а б в ЧАСТЬ 1. МЕХАНИКА 9 жутся по одинаковым траекториям (рис. б, поэтому можно заменить такое движение на движение одной материальной точки — центра масс (см. далее раздел 1.2.4). Следовательно, поступательное движение ат. т. не требует отдельного рассмотрения наряду с изучением движениям. т. 1.1. КИНЕМАТИКА ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ И АБСОЛЮТНО ТВЕРДОГО ТЕЛА Кинематика изучает геометрические свойства движения тел. С этой целью используют понятие системы отсчета (СО, включающее тело отсчета, связанную с ним систему координат и прибор (часы) для измерения времени (рис. 1.2). Тогда положение тела в пространстве можно задать либо с помощью радиус вектора 111 проведенного изначала координат в рассматриваемую точку (для точек 1 и на рис. 1.2 это векторы 1 0 1 и ), либо с помощью координат x, y, z — проекций вектора 11 на координатные оси 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 21 1 23 45 67 где 1 1 1 1 1 2 1 2 3 векторы, указывающие направления осей Ох, Оу, О и равные по модулю единице. 1.1.1. ПУТЬ, ПЕРЕМЕЩЕНИЕ, МГНОВЕННАЯ СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ Вектор 1 1 1 соединяющий начальное и конечное положение тела (точки и 2 на рис. 1.2), называют перемещением. Он связан с радиус векторами 1 1 0 и 1 1 следующим равенством 2 1 1 1 0 1 1 2 Модуль перемещения меньше или равен пути l — расстоянию, пройденному телом по траектории они совпадают в случае прямолинейного движения в одну сторону 1 1 1 2 234 1 Для практических целей необходимо определять быстроту движения тела, поэтому вводят мгновенную скорость тела v в данной точке траектории, равную первой производной от радиус вектора 11 (или перемещения 11 ) повремени Рис. 1.2 МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Вектор 11 в каждой точке траектории направлен по касательной к ней (рис. 1.3а). Широкое применение находит средняя путевая скорость v ср — скалярная физическая величина, равная отношению пути l, пройденного телом за время t, к этому времени t: v ср = МГНОВЕННОЕ, КАСАТЕЛЬНОЕ И НОРМАЛЬНОЕ УСКОРЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ Быстроту изменения скорости оценивают, вводя понятие мгновенного ускорения 1 1 1 то есть ускорения в данной точке траектории, равного первой производной от скорости 11 повремени или второй производной от радиус вектора 11 (или перемещения 11 ) повремени Проекцию вектора ускорения 11 на направление касательной к траектории называют касательным (тангенциальным ускорением 1 1 1 1 а на направление, перпендикулярное к касательной, — нормальным (центростремительным) ускорением см. рис. б 2 2 1 1 1 23 3 4 4 25 6 2 (1.6) 1 1 2 3 2 3 1 1 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 где v — численное значение скорости R — радиус кривизны траектории в данной ее точке, он равен радиусу окружности R, вписанной в малый участок траектории вблизи этой точки (рис. 1.3в). Касательное ускорение характеризует изменение скорости тела по ее численной величине (по модулю скорости, анормальное ускорение — по на правлению. Приведем вывод формул (1.6) для ускорений 1 и Для этого возьмем на траектории две близко расположенные точки 1 и 2, разделенные интервалом времени Dt (рис. 1.4), перенесем вектор 1 параллельно самому себе и отложим на нем отрезок, равный по модулю вектору 1 1 1 (рис. 1.4, точка 3). Тогда вектор можно представить в виде суммы двух векторов 1 2 3 2 4 2 1 1 1 1 1 2 2 2 |