Пособие по физике, охватывающее всю школьную программу и, соответственно, все темы кодификатора егэ по физике
 Скачать 4.03 Mb.
|
|
Компания « Ваш репетитор » MathUs.ru И. В. Яковлев Физика Перед вами — электронное пособие по физике, охватывающее всю школьную программу и, соответственно, все темы кодификатора ЕГЭ по физике. Цель данного пособия — обеспечить школьникам исчерпывающую теоретическую подготов- ку по физике. Такую подготовку, которая позволит успешно выступить на олимпиадах, набрать высокие баллы на ЕГЭ, поступить в желаемый вуз и впоследствии органично перейти к изуче- нию вузовского курса общей физики. Пособие состоит из семи глав: 1. Механика 2. Молекулярная физика и термодинамика 3. Электродинамика 4. Оптика 5. Теория относительности 6. Квантовая физика 7. Приложение. Векторы в физике Содержание пособия выходит за рамки кодификатора ЕГЭ и в отдельных местах за рам- ки школьной программы. Дополнительный материал позволяет лучше понять рассматриваемые темы и служит «мостиком» к дальнейшему вузовскому курсу. Этот «мостик» совершенно необ- ходим, поскольку разрыв между уровнями изложения физики в школе и в вузе весьма велик. Если заранее не преодолеть этот разрыв хотя бы частично, то есть риск получить проблемы с физикой в первую же сессию. Автор пособия — профессиональный преподаватель с 25-летним стажем, имеющий красный диплом МФТИ (факультет общей и прикладной физики) и несколько сотен учеников, ставших успешными студентами ведущих московских вузов. Все главы пособия обсуждались на форуме преподавателей компании « Ваш репетитор », которая является крупнейшим в России репетиторским сообществом. Я выражаю глубокую благодарность Дмитрию Андреевичу Сухоручкину , Антону Марковичу Безбородову , Михаи- лу Владимировичу Солину , Борису Семёновичу Семёнову , Юрию Анатольевичу Боравлёву , а также другим ведущим преподавателям компании, чьи квалифицированные замечания способ- ствовали улучшению изложения материала. Текст пособия время от времени обновляется (по мере устранения замеченных ошибок). Последняя версия всегда находится по адресу: http://mathus.ru/phys/book.pdf По всем вопросам пишите мне: pandominator@gmail.com 1 Оглавление 1 Механика 12 1.1 Производная 14 1.1.1 Предел 14 1.1.2 Мгновенная скорость 16 1.1.3 Определение производной 18 1.1.4 Табличные производные 19 1.1.5 Правила дифференцирования 20 1.1.6 Обозначения производной в физике 22 1.1.7 Предел векторной величины 23 1.1.8 Дифференцирование векторов 24 1.2 Механическое движение 27 1.2.1 Относительность движения 27 1.2.2 Основная задача механики 27 1.2.3 Материальная точка 28 1.2.4 Траектория, путь, перемещение 28 1.2.5 Скорость 29 1.2.6 Ускорение 30 1.2.7 Примеры вычисления скорости и ускорения 30 1.2.8 Закон сложения скоростей 31 1.2.9 Виды механического движения 33 1.3 Равномерное прямолинейное движение 35 1.3.1 Закон движения 35 1.3.2 Интегрирование 36 1.4 Равноускоренное движение 37 1.4.1 Зависимость скорости от времени 37 1.4.2 Закон движения 37 1.4.3 Прямолинейное равноускоренное движение 38 1.4.4 Свободное падение 39 1.4.5 Горизонтальный бросок 40 1.4.6 Бросок под углом к горизонту 41 1.5 Равномерное движение по окружности 42 1.5.1 Угловая скорость 42 1.5.2 Закон движения 43 1.5.3 Центростремительное ускорение 43 1.6 Путь при неравномерном движении 44 1.7 Первый закон Ньютона 47 1.7.1 Инерциальные системы отсчёта 47 1.7.2 Принцип относительности 48 1.8 Масса и плотность 49 1.9 Второй и третий законы Ньютона 50 2 1.9.1 Принцип суперпозиции 50 1.9.2 Второй закон Ньютона 50 1.9.3 Третий закон Ньютона 50 1.9.4 Как найти закон движения? 51 1.10 Сила упругости 53 1.10.1 Деформация 53 1.10.2 Закон Гука 53 1.10.3 Модуль Юнга 54 1.11 Сила тяготения 55 1.11.1 Закон всемирного тяготения 55 1.11.2 Сила тяжести 55 1.11.3 Вес тела. Невесомость 56 1.11.4 Искусственные спутники 58 1.12 Сила трения 59 1.12.1 Сухое трение 59 1.12.2 Вязкое трение 61 1.13 Статика твёрдого тела 62 1.13.1 Момент силы 63 1.13.2 Условия равновесия 63 1.14 Статика жидкостей и газов 66 1.14.1 Гидростатическое давление 66 1.14.2 Закон Паскаля 67 1.14.3 Гидравлический пресс 68 1.14.4 Закон Архимеда 68 1.14.5 Плавание тел 70 1.15 Импульс 72 1.15.1 Второй закон Ньютона в импульсной форме 72 1.15.2 Пример вычисления силы 74 1.15.3 Импульс системы тел 75 1.15.4 Закон сохранения импульса 76 1.15.5 Закон сохранения проекции импульса 77 1.16 Энергия 79 1.16.1 Работа 79 1.16.2 Мощность 80 1.16.3 Механическая энергия 81 1.16.4 Кинетическая энергия 81 1.16.5 Потенциальная энергия тела вблизи поверхности Земли 82 1.16.6 Потенциальная энергия деформированной пружины 83 1.16.7 Закон сохранения механической энергии 84 1.16.8 Закон изменения механической энергии 84 1.17 Простые механизмы 86 1.17.1 Рычаг 86 1.17.2 Неподвижный блок 86 1.17.3 Подвижный блок 87 1.17.4 Наклонная плоскость 87 1.17.5 Золотое правило механики 88 1.17.6 КПД механизма 89 1.18 Механические колебания 91 1.18.1 Гармонические колебания 91 1.18.2 Уравнение гармонических колебаний 93 3 1.18.3 Пружинный маятник 94 1.18.4 Математический маятник 95 1.18.5 Свободные и вынужденные колебания 96 1.19 Механические волны 98 1.19.1 Продольные и поперечные волны 98 1.19.2 Звук 99 2 Молекулярная физика и термодинамика 101 2.1 Основные положения МКТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 2.1.1 Атомы и молекулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 2.1.2 Тепловое движение атомов и молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.1.3 Взаимодействие частиц вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 2.2 Газы, жидкости и твёрдые тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.2.1 Газы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.2.2 Твёрдые тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.2.3 Жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 2.3 Основные формулы молекулярной физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.4 Температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.4.1 Термодинамическая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.4.2 Тепловое равновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.4.3 Температурная шкала. Абсолютная температура . . . . . . . . . . . . . . . 112 2.5 Уравнение состояния идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.5.1 Средняя кинетическая энергия частиц газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.5.2 Основное уравнение МКТ идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 2.5.3 Энергия частиц и температура газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 2.5.4 Уравнение Менделеева — Клапейрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 2.6 Изопроцессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 2.6.1 Термодинамический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 2.6.2 Изотермический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 2.6.3 Графики изотермического процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 2.6.4 Изобарный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 2.6.5 Графики изобарного процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 2.6.6 Изохорный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 2.6.7 Графики изохорного процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 2.7 Насыщенный пар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.7.1 Испарение и конденсация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.7.2 Динамическое равновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.7.3 Свойства насыщенного пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 2.7.4 Влажность воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2.8 Внутренняя энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 2.8.1 Внутренняя энергия одноатомного идеального газа . . . . . . . . . . . . . . 127 2.8.2 Функция состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.8.3 Изменение внутренней энергии: совершение работы . . . . . . . . . . . . . 128 2.8.4 Изменение внутренней энергии: теплопередача . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.8.5 Теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 2.8.6 Конвекция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 2.8.7 Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 2.9 Количество теплоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 2.9.1 Удельная теплоёмкость вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 2.9.2 Уравнение теплового баланса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4 2.10 Фазовые переходы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 2.10.1 Плавление и кристаллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 2.10.2 График плавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 2.10.3 Удельная теплота плавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.10.4 График кристаллизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.10.5 Парообразование и конденсация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.10.6 Кипение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 2.10.7 График кипения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 2.10.8 График конденсации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 2.11 Первый закон термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 2.11.1 Работа газа в изобарном процессе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 2.11.2 Работа газа в произвольном процессе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 2.11.3 Работа, совершаемая над газом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 2.11.4 Первый закон термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 2.11.5 Применение первого закона термодинамики к изопроцессам . . . . . . . . . 144 2.11.6 Адиабатный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 2.12 Тепловые машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 2.12.1 Тепловые двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 2.12.2 Холодильные машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 2.12.3 Тепловая машина Карно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 2.12.4 Тепловые двигатели и охрана окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . 151 2.13 Второй закон термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 2.13.1 Необратимость процессов в природе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 2.13.2 Постулаты Клаузиуса и Кельвина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 2.13.3 Эквивалентность постулатов Клаузиуса и Кельвина . . . . . . . . . . . . . 153 2.13.4 Обратимые процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 2.13.5 Обратимость машины Карно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 3 Электродинамика 156 3.1 Электрический заряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 3.1.1 Два вида заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 3.1.2 Электризация тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 3.1.3 Закон сохранения заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 3.2 Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3.2.1 Принцип суперпозиции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 3.2.2 Закон Кулона в диэлектрике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 3.3 Напряжённость электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 3.3.1 Дальнодействие и близкодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 3.3.2 Электрическое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 3.3.3 Напряжённость поля точечного заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 3.3.4 Принцип суперпозиции электрических полей . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 3.3.5 Поле равномерно заряженной плоскости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 3.3.6 Линии напряжённости электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 3.4 Потенциал электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 3.4.1 Консервативные силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 3.4.2 Потенциальность электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 3.4.3 Потенциальная энергия заряда в однородном поле . . . . . . . . . . . . . . 172 3.4.4 Потенциальная энергия взаимодействия точечных зарядов . . . . . . . . . 174 3.4.5 Потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 3.4.6 Разность потенциалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 5 3.4.7 Принцип суперпозиции для потенциалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 3.4.8 Однородное поле: связь напряжения и напряжённости . . . . . . . . . . . . 176 3.4.9 Эквипотенциальные поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 3.5 Проводники в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3.5.1 Поле внутри проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3.5.2 Заряд внутри проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 3.5.3 Поле вне проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 3.5.4 Потенциал проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 3.5.5 Напряжённость и потенциал поля проводящей сферы . . . . . . . . . . . . 182 3.6 Диэлектрики в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 3.6.1 Диэлектрическая проницаемость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 3.6.2 Полярные диэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 3.6.3 Неполярные диэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 3.7 Конденсатор. Энергия электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 3.7.1 Ёмкость уединённого проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 3.7.2 Ёмкость плоского конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 3.7.3 Энергия заряженного конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 3.7.4 Энергия электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 3.8 Постоянный электрический ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 3.8.1 Направление электрического тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 3.8.2 Действие электрического тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 3.8.3 Сила и плотность тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 3.8.4 Скорость направленного движения зарядов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 3.8.5 Стационарное электрическое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 3.9 Закон Ома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 3.9.1 Закон Ома для участка цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 3.9.2 Электрическое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 3.9.3 Удельное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 3.10 Соединения проводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 3.10.1 Резисторы и подводящие провода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 3.10.2 Последовательное соединение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 3.10.3 Параллельное соединение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 3.10.4 Смешанное соединение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 3.11 Работа и мощность тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 3.11.1 Работа тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 3.11.2 Мощность тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 3.11.3 Закон Джоуля–Ленца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 3.12 ЭДС. Закон Ома для полной цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 3.12.1 Сторонняя сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 3.12.2 Закон Ома для полной цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 3.12.3 КПД электрической цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 3.12.4 Закон Ома для неоднородного участка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 3.13 Электрический ток в металлах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 3.13.1 Свободные электроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 3.13.2 Опыт Рикке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 3.13.3 Опыт Стюарта–Толмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 3.13.4 Зависимость сопротивления от температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 3.14 Электрический ток в электролитах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 3.14.1 Электролитическая диссоциация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 3.14.2 Ионная проводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 6 3.14.3 Электролиз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 3.15 Электрический ток в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 3.15.1 Свободные заряды в газе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 3.15.2 Несамостоятельный разряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 3.15.3 Вольт-амперная характеристика газового разряда . . . . . . . . . . . . . . 227 3.15.4 Самостоятельный разряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 3.16 Полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 3.16.1 Ковалентная связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 3.16.2 Кристаллическая структура кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 3.16.3 Собственная проводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 3.16.4 Примесная проводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 3.16.5 p–n-переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 3.17 Магнитное поле. Линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 3.17.1 Взаимодействие магнитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 3.17.2 Линии магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 3.17.3 Опыт Эрстеда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 3.17.4 Магнитное поле прямого провода с током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 3.17.5 Магнитное поле витка с током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 3.17.6 Магнитное поле катушки с током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 3.17.7 Гипотеза Ампера. Элементарные токи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 3.18 Магнитное поле. Силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 3.18.1 Сила Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 3.18.2 Сила Ампера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 3.18.3 Рамка с током в магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 3.19 Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 3.19.1 Магнитный поток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 3.19.2 ЭДС индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 3.19.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 3.19.4 Правило Ленца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 3.19.5 Взаимодействие магнита с контуром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 3.19.6 Закон Фарадея + Правило Ленца = Снятие модуля . . . . . . . . . . . . . 255 3.19.7 Вихревое электрическое поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 3.19.8 ЭДС индукции в движущемся проводнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 3.20 Самоиндукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 3.20.1 Индуктивность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 3.20.2 Электромеханическая аналогия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 3.20.3 Энергия магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 3.21 Электромагнитные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 3.21.1 Колебательный контур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 3.21.2 Энергетические превращения в колебательном контуре . . . . . . . . . . . 268 3.21.3 Электромеханические аналогии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 3.21.4 Гармонический закон колебаний в контуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 3.21.5 Вынужденные электромагнитные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 3.22 Переменный ток. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 3.22.1 Условие квазистационарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 3.22.2 Резистор в цепи переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 3.22.3 Конденсатор в цепи переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 3.22.4 Катушка в цепи переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 3.23 Переменный ток. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 3.23.1 Метод вспомогательного угла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 7 3.23.2 Колебательный контур с резистором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 3.23.3 Резонанс в колебательном контуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 3.24 Мощность переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 3.24.1 Мощность тока через резистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 3.24.2 Мощность тока через конденсатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 3.24.3 Мощность тока через катушку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 3.24.4 Мощность тока на произвольном участке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 3.25 Электроэнергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 3.25.1 Производство электроэнергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 3.25.2 Передача электроэнергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 3.25.3 Трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 3.26 Электромагнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 3.26.1 Гипотеза Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 3.26.2 Понятие электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 3.26.3 Об уравнениях Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 3.27 Электромагнитные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 3.27.1 Открытый колебательный контур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 3.27.2 Свойства электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 3.27.3 Плотность потока излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 3.27.4 Виды электромагнитных излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 4 Оптика 311 4.1 Световые лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 4.1.1 Законы геометрической оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 4.1.2 Геометрическая тень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 4.2 Отражение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 4.2.1 Закон отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 4.2.2 Плоское зеркало . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 4.3 Преломление света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 4.3.1 Закон преломления (частный случай) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 4.3.2 Обратимость световых лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 4.3.3 Закон преломления (общий случай) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 4.3.4 Полное внутреннее отражение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 4.4 Линзы. Ход лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 4.4.1 Двояковыпуклая линза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 4.4.2 Двояковогнутая линза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 4.4.3 Виды собирающих и рассеивающих линз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 4.5 Тонкие линзы. Ход лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 4.5.1 Понятие тонкой линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 4.5.2 Оптический центр и фокальная плоскость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 4.5.3 Ход луча через оптический центр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 4.5.4 Ход лучей в собирающей линзе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 4.5.5 Ход лучей в рассеивающей линзе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 4.6 Тонкие линзы. Построение изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 4.6.1 Собирающая линза: действительное изображение точки . . . . . . . . . . . 335 4.6.2 Собирающая линза: действительное изображение предмета . . . . . . . . . 338 4.6.3 Собирающая линза: мнимое изображение точки . . . . . . . . . . . . . . . . 339 4.6.4 Собирающая линза: мнимое изображение предмета . . . . . . . . . . . . . . 341 4.6.5 Собирающая линза: предмет в фокальной плоскости . . . . . . . . . . . . . 341 4.6.6 Рассеивающая линза: мнимое изображение точки . . . . . . . . . . . . . . . 342 8 4.6.7 Рассеивающая линза: мнимое изображение предмета . . . . . . . . . . . . . 344 4.7 Глаз человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 4.7.1 Строение глаза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 4.7.2 Аккомодация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 4.7.3 Угол зрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 4.7.4 Расстояние наилучшего зрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 4.7.5 Близорукость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 4.7.6 Дальнозоркость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 4.8 Оптические приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 4.8.1 Невооружённый глаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 4.8.2 Лупа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 4.8.3 Микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 4.8.4 Труба Кеплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 4.8.5 Труба Галилея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 4.9 Принцип Гюйгенса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 4.9.1 Волновые поверхности и лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 4.9.2 Сферическая волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 4.9.3 Плоская волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 4.9.4 Вторичные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 4.9.5 Вывод закона отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 4.9.6 Вывод закона преломления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 4.10 Интерференция волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 4.10.1 Сложение колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 4.10.2 Интенсивность волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 4.10.3 Когерентные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 4.10.4 Условие максимума и минимума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 4.10.5 Интерференционная картина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 4.10.6 Схема Юнга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 4.11 Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 4.11.1 Усреднение интенсивности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 4.11.2 Некогерентность независимых источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 4.11.3 Зеркала Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 4.11.4 Интерференция в тонких плёнках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 4.11.5 Кольца Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 4.11.6 Просветление оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 4.12 Дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 4.12.1 Принцип Гюйгенса–Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 4.12.2 Опыт Юнга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 4.12.3 Дифракционная решётка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 4.12.4 Дифракционная решётка как спектральный прибор . . . . . . . . . . . . . 385 4.13 Дисперсия света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 4.13.1 Опыт Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 4.13.2 Хроматическая аберрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 5 Теория относительности 389 5.1 Принцип относительности Галилея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 5.1.1 Наблюдатель на корабле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 5.1.2 Инвариантность законов механики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 5.2 Принципы СТО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 5.2.1 Гипотеза о мировом эфире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 9 5.2.2 Постулаты Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 5.3 Релятивистская кинематика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 5.3.1 Одновременность событий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 5.3.2 Относительность одновременности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 5.3.3 Относительность промежутков времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 5.3.4 Относительность расстояний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 5.3.5 Преобразования Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 5.3.6 Релятивистский закон сложения скоростей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 5.4 Релятивистская динамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 5.4.1 Релятивистская энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 5.4.2 Релятивистский импульс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 5.4.3 Связь энергии и импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 5.4.4 Релятивистское уравнение движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 6 Квантовая физика 415 6.1 Фотоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 6.1.1 Опыты Столетова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 6.1.2 Зависимость фототока от напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 6.1.3 Законы фотоэффекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 6.1.4 Трудности классического объяснения фотоэффекта . . . . . . . . . . . . . 419 6.1.5 Гипотеза Планка о квантах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 6.1.6 Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 6.2 Фотоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 6.2.1 Энергия фотона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 6.2.2 Импульс фотона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 6.2.3 Давление света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 6.2.4 Двойственная природа света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 6.3 Корпускулярно-волновой дуализм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 6.3.1 Гипотеза де Бройля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 6.3.2 Дифракция электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 6.3.3 Соотношение неопределённостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 6.4 Линейчатые спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 6.4.1 Спектр испускания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 6.4.2 Спектр поглощения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 6.4.3 Спектральный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 6.5 Строение атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 6.5.1 Модель Томсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 6.5.2 Опыты Резерфорда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 6.5.3 Планетарная модель атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 6.6 Атом Бора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 6.6.1 Постулаты Бора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 6.6.2 Атом водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 6.6.3 Достоинства и недостатки теории Бора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 6.7 Лазер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 6.7.1 Индуцированное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 6.7.2 Инверсная населённость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 6.7.3 Трёхуровневая система рубина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 6.7.4 Устройство лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 6.8 Строение ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 6.8.1 Нуклонная модель ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 10 6.8.2 Изотопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 6.9 Радиоактивность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 6.9.1 Виды радиоактивных излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 6.9.2 Радиоактивные превращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 6.9.3 Закон радиоактивного распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 6.10 Энергия связи ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 6.10.1 Ядерные силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 6.10.2 Атомная единица массы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 6.10.3 Удельная энергия связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 6.10.4 Насыщение ядерных сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 6.11 Ядерные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 6.11.1 Энергетический выход ядерной реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 6.11.2 Деление ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 6.11.3 Цепная ядерная реакция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 6.11.4 Термоядерная реакция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 7 Приложение. Векторы в физике 466 7.1 Скалярные и векторные величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 7.2 Сложение векторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 7.2.1 Правило треугольника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 7.2.2 Правило параллелограмма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 7.2.3 Свойства сложения векторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 7.2.4 Вычитание векторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 7.3 Умножение скаляра на вектор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 7.3.1 |