Том-1_РУ-1. Учебное пособие для студентов инженерно технических специальностей высших учебных заведений. Донецк
 Скачать 2.41 Mb.
|
|
А.Ф. Волков, Т.П. Лумпиева КУРС ФИЗИКИ В двух томах Том 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА ЭЛЕКТРОСТАТИКА ПОСТОЯННЫЙ ТОК ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ Рекомендовано Министерством образования и науки Украины в качестве учебного пособия для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений Донецк Издательство ДонНТУ 2009 ББК 22.3я7 В 67 УДК 53(075.8) Гриф надано Міністерством освіти и науки України, лист № 1.4/18-г-989 від 07.05.2008 р. Р е ц е н з е н т ы : П.И. Голубничий, заведующий кафедрой физики Восточноукраинского уни- верситета им. Владимира Даля, заслуженный деятель науки и техники Украи- ны, доктор физико-математических наук, профессор В.Ф. Русаков, заведующий кафедрой общей физики и дидактики физики До- нецкого национального университета, кандидат физико-математических наук, доцент С.В. Тарасенко, заведующий отделом теории магнетизма и фазовых переходов Донецкого физико-технического института НАН Украины им. А.А. Галкина, доктор физико-математических наук, профессор Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. В 67 Курс физики: В 2-х т. Т.1: Физические основы механики. Молеку- лярная физика и термодинамика. Электростатика. Постоянный ток. Электромагнетизм: Учебное пособие для студентов инженерно- технических специальностей высших учебных заведений.– Донецк: ДонНТУ, 2009. – 232 с. Учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Физика» для инже- нерно-технических специальностей высших учебных заведений. Содержание первого тома составляют разделы: физические основы механики, молекулярная физика и термодинамика, электростатика и постоянный ток, электромагнетизм. Содержание второго тома: колебания и волны, волновая и квантовая оптика, элементы квантовой механики, основы физики твердого тела, элементы физики атомного ядра. Изложение материала ведется без громоздких матема- тических выкладок, основной акцент делается на физическую суть явлений и описывающих их законов. Табл. 3. Ил. 169. ISBN 978-966-377-072-7 (общий) ISBN 978-966-377-073-4 (том 1) © Волков А.Ф., Лумпиева Т.П., 2009 © Донецкий национальный технический университет, 2009 3 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 §1 Предмет физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 §2 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 §3 Основные ведения о векторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 ЧАСТЬ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Г л а в а 1. Кинематика поступательного и вращательного движения . . 17 §4 Кинематика материальной точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1 Основные понятия кинематики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.2 Система отсчета. Траектория. Путь. Перемещение . . . . . . . . . . . . . 18 4.3 Способы задания положения тела в пространстве . . . . . . . . . . . . . . 19 4.4 Скорость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.5 Ускорение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 §5 Кинематика вращательного движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.1 Характеристики вращательного движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.2 Связь между линейными и угловыми характеристиками . . . . . . . . 25 Г л а в а 2. Динамика поступательного и вращательного движения . . . . 26 §6 Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.1 Основные понятия динамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.2 Виды взаимодействий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6.3 Сложение сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.4 Разложение сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.5 Основные законы динамики материальной точки (законы Ньютона) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 6.5.1 Первый закон Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 6.5.2 Второй закон Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 6.5.3 Третий закон Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6.6 Динамика системы материальных точек. Закон сохранения импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 §7 Динамика вращательного движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 7.1 Основные характеристики динамики вращательного движения . . 34 7.1.1 Момент инерции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 7.1.2 Момент импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.1.3 Момент силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 7.2 Основное уравнение динамики вращательного движения . . . . . . . 38 7.3 Закон сохранения момента импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Г л а в а 3. Работа, мощность, энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 §8 Механическая работа. Мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 8.1 Работа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4 8.2 Графическое представление работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 8.3 Мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 8.4 Работа и мощность при вращательном движении . . . . . . . . . . . . . . 43 §9 Энергия. Закон сохранения энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 9.1 Кинетическая энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 9.2 Потенциальная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 9.2.1 Консервативные и неконсервативные силы . . . . . . . . . . . . . . . . 46 9.2.2 Работа и потенциальная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 9.2.3. Графическое представление энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 9.3 Закон сохранения механической энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 §10 Соударение тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Г л а в а 4. Элементы специальной теории относительности . . . . . . . . . . . 53 §11 Элементы специальной теории относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 11.1 Принцип относительности Галилея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 11.2 Постулаты специальной теории относительности . . . . . . . . . . . . . 54 11.3 Преобразования Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 11.4 Следствия из преобразований Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 11.5 Основные соотношения релятивистской динамики . . . . . . . . . . . . 56 Обратите внимание! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Тест для самоконтроля знаний по теме «Физические основы механики» . . 61 Коды ответов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 ЧАСТЬ 2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА . . . . . . . . . 68 Г л а в а 5. Молекулярно-кинетическая теория . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 §12 Статистический и термодинамический методы исследования . . . . . . . 68 §13 Характеристики атомов и молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 §14 Параметры состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 §15 Уравнение состояния идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 §16 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов . . . . . . 73 §17 Молекулярно-кинетическая трактовка термодинамической температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Г л а в а 6. Статистические распределения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 §18 Распределение Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 §19 Средние скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 §20 Экспериментальная проверка закона распределения Максвелла . . . . . 79 §21 Идеальный газ в однородном поле тяготения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1 Барометрическая формула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 80 21.2 Распределение Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 §22 Определение числа Авогадро . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Г л а в а 7. Физические основы термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 §23 Состояние термодинамической системы. Термодинамический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5 §24 Работа, совершаемая системой при изменении объема . . . . . . . . . . . . . 84 §25 Внутренняя энергия термодинамической системы . . . . . . . . . . . . . . . . 85 25.1 Число степеней свободы. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 25.2 Внутренняя энергия идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 §26 Первое начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 §27 Теплоемкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 §28 Тепловые машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 28.1 Круговые процессы (циклы) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 28.2 Тепловая машина. Кпд тепловой машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 28.3 Цикл Карно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 §29 Второе начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 29.1 Термодинамические формулировки второго начала термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 29.2 Приведенное количество тепла. Энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 29.3 Энтропия и вероятность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 29.4 Границы применимости второго начала термодинамики . . . . . . . 96 §30 Термодинамическое описание процессов в идеальных газах . . . . . . . . 96 30.1 Изохорный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 30.2 Изобарный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 30.3 Изотермический процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 30.4 Адиабатный процесс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Г л а в а 8. Реальные газы и жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 §31 Реальные газы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 31.1 Силы межмолекулярного взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 31.2 Уравнение Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 31.3 Экспериментальные изотермы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 §32 Жидкое состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 32.1 Строение жидкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 32.2 Поверхностное натяжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 32.3 Смачивание . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 32.4 Капиллярные явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Г л а в а 9. Явления переноса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 §33 Явления переноса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 33.1 Среднее число столкновений молекул в единицу времени Средняя длина свободного пробега молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 33.2 Явления переноса в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 33.2.1 Теплопроводность газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 33.2.2 Диффузия в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 33.2.3 Внутреннее трение (вязкость) газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 33.3 Явления переноса в жидкостях и твердых телах . . . . . . . . . . . . . . 116 Обратите внимание! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6 Тест для самоконтроля знаний по теме «Молекулярная физика и термодинамика» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Коды ответов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 ЧАСТЬ 3. ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . 126 Г л а в а 10. Электрическое поле в вакууме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 §34 Электрический заряд. Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 34.1 Свойства заряженных тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 34.2 Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 §35 Электрическое поле. Характеристики электрического поля . . . . . . . . . 127 35.1 Напряженность электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 35.2 Потенциал электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 §36 Графическое изображение электростатических полей . . . . . . . . . . . . . . 131 §37 Связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 §38 Расчет электростатических полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 38.1 Теорема Гаусса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 38.2 Примеры расчета электростатических полей . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 38.2.1 Поле равномерно заряженной бесконечно длинной нити . . . . . 135 38.2.2 Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости . . . . . . . 136 38.2.3 Поле равномерно заряженной сферической поверхности . . . . 136 Г л а в а 11. Электрическое поле в веществе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 §39 Электрический диполь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 §40 Диэлектрики в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 40.1 Классификация диэлектриков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 40.2 Поляризация диэлектриков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 40.3 Поле внутри диэлектрика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 40.4 Условия на границе раздела двух диэлектриков . . . . . . . . . . . . . . . 142 40.5 Сегнетоэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 §41 Проводники в электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 §42 Электроемкость. Энергия электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 42.1 Электроемкость уединенного проводника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 42.2 Конденсаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 42.3 Энергия электрического поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Г л а в а 12. Постоянный электрический ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 §43 Электрический ток. Характеристики тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 §44 Электродвижущая сила. Напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 §45 Закон Ома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 45.1 Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление . . . . . 153 45.2 Закон Ома для неоднородного участка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 45.3 Закон Ома в дифференциальной форме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 §46 Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7 §47 Работа и мощность тока. Закон Джоуля Ленца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 §48 Электрические измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 48.1 Электроизмерительные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 48.2 Основные характеристики приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Обратите внимание! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Тест для самоконтроля знаний по теме «Электростатика. Постоянный электрический ток» . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Коды ответов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 ЧАСТЬ 4. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Г л а в а 13. Магнитное поле в вакууме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 §49 Магнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 49.1 Характеристики магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 49.2 Графическое изображение магнитных полей . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 §50 Расчет магнитных полей. Закон Био-Савара-Лапласа . . . . . . . . . . . . . . 177 50.1 Закон Био-Савара-Лапласа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 50.2 Примеры расчета магнитных полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 §51 Законы магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 51.1 Магнитный поток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 51.2 Теорема Гаусса для магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 51.3 Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока . . 183 §52 Действие магнитного поля на проводник с током . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 52.1 Закон Ампера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 52.2 Работа, совершаемая при перемещении проводника с током . . . . 186 §53 Действие магнитного поля на контур с током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 53.1 Магнитный момент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 53.2 Сила, действующая на контур с током в однородном магнитном поле . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 53.3 Вращающий момент, создаваемый силами, приложенными к контуру . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 53.4 Контур с током в неоднородном магнитном поле . . . . . . . . . . . . . 189 §54 Работа совершаемая при вращении контура с током в постоянном магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 §55 Сила Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 §56 Эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Г л а в а 14. Магнитное поле в веществе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 §57 Магнитное поле в веществе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 57.1 Намагничение магнетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 57.2 Классификация магнетиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 57.3 Диамагнетики. Парамагнетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 57.4 Ферромагнетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8 Г л а в а 15. Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 §58 Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 58.1 Явление электромагнитной индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 58.2 Принцип работы генератора переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . 200 58.3 Токи Фуко . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 §59 Самоиндукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 59.1 Индуктивность контура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 59.2 ЭДС самоиндукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 59.3 Токи при замыкании и размыкании цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 §60 Взаимная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 §61 Энергия магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 §62 Магнитные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Обратите внимание! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Тест для самоконтроля знаний по теме «Электромагнетизм» . . . . . . . . . . 213 Коды ответов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Справочные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Введение 9 ПРЕДИСЛОВИЕ Данное учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Физика» для инженерно-технических специальностей высших учебных заве- дений. Содержание первого тома составляют разделы: физические основы ме- ханики, молекулярная физика и термодинамика, электростатика и постоянный ток, электромагнетизм. Содержание второго тома: колебания и волны, волновая и квантовая оптика, элементы квантовой механики, основы физики твердого тела, элементы физики атомного ядра. Основная цель пособия – помочь студентам изучить курс физики. Авто- ры пытались с одной стороны максимально полно охватить все разделы курса, предусмотренные программой, а с другой – изложить весь материал компактно, не используя громоздких математических выкладок, пространных рассуждений и т.д. Основное внимание уделено сути рассматриваемых явлений, законам, описывающим эти явления, границам применимости законов; а также опреде- лениям физических величин, единицам измерения. Определения, формулиров- ки законов, а также все новые термины выделены в тексте курсивом. Матема- тические знания, необходимые для пользования пособием, соответствуют обычному курсу математики во втузах. В конце книги находится подробный предметный указатель, который по- может отыскать нужные сведения. Сводные таблицы, приведенные в тексте, а также большое количество ссылок и иллюстраций помогут вам лучше понять и усвоить учебный материал, а тесты – проверить уровень усвоения материала. Изучение материала рекомендуем проводить в два этапа: 1) беглое чтение материала всей темы с целью ознакомления с его структурой, выделением основных вопросов; 2) чтение с проработкой: на этом этапе надо понять весь материал. Изучая курс физики, помните, что часть учебного материала подлежит обязательному запоминанию. Это определения, формулировки законов, еди- ницы измерения физических величин. Чтобы глубже понять суть явлений, научиться применять законы, описывающие эти явления, необходимо решать задачи. Умение решать задачи – главный критерий оценки усвоения учебного материала. Экспериментальные задачи, методы обработки результатов и их представления, а также правила обращения с простейшими приборами, рас- сматриваются в физическом практикуме. Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам: зав. кафедрой физики Во- сточноукраинского университета им. Владимира Даля профессору Голубничему П.И., зав. кафедрой общей физики и дидактики физики Донецкого национального университета доцен- ту Русакову В.Ф., заведующему отделом теории магнетизма и фазовых переходов Донецкого физико-технического института им. А.А. Галкина НАН Украины профессору Тарасен- ко С.В., старшему преподавателю кафедры физики Донецкого национального технического университета Русаковой Н.М. за полезные замечания и советы, которые были учтены при подготовке рукописи к печати. Также выражаем свою искреннюю благодарность и призна- тельность Лумпиеву И.В. за оформление графического материала книги. С замечаниями и предложениями по книге к авторам можно обратиться по электрон- ной почте: afv.@fizmet.dgtu.donetsk.ua Введение 10 ВВЕДЕНИЕ §1 Предмет физики Физика – это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее об- щие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы её движения. В настоящее время известны два вида неживой материи: вещество и по- ле. К первому виду материи – веществу – относятся атомы, молекулы и все те- ла, состоящие из них. Второй вид материи образуют гравитационные, электро- магнитные и другие поля. Материя находится в непрерывном движении, под которым понимается всякое изменение вообще. Движение является неотъемлемым свойством мате- рии, которое несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя суще- ствует и движется в пространстве и во времени. Основным методом исследования в физике является эксперимент (опыт), т.е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, поз- воляющих следить за ходом исследования и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Для объяснения физических явлений используют гипотезы. Гипотеза – это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства. Правильность гипотезы проверяется постановкой соответствующих опытов, путем выяснения согласия следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. Доказанная гипотеза превращается в научную теорию или закон. Физическая теория – это система основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая тео- рия дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения. Физика является научным фундаментом развития новых отраслей техни- ки. На основе ее открытий созданы электротехника и радиотехника, электрон- ная и вычислительная техника, космическая техника и приборостроение, ядер- ная энергетика, лазерная техника и т.д. На основе достижений физики разраба- тываются принципиально новые и более совершенные методы производства, приборы и установки. В свою очередь техника, развиваясь и совершенствуясь, выдвигает перед физикой такие проблемы, решение которых требует более глубокого изучения различных физических явлений. Именно технические по- требности общества привели в свое время к развитию механики, необходимой для строительства различных сооружений. Задача создания более экономичных двигателей вызвала бурное развитие термодинамики и т.д. Физика формирует научное мировоззрение человека. Развиваясь, она ви- доизменяет, дополняет, углубляет представления о природе вещей и причинных связях окружающего мира. Со временем ее теоретические концепции приобре- тают общефилософское значение. Таким образом, инженер любого профиля должен владеть физикой в такой степени, чтобы быть в состоянии применять ее достижения в своей производственной деятельности. Введение 11 §2 Общие сведения 1. Реальные свойства материальных объектов настолько сложны, а взаим- ные связи между явлениями и процессами столь многообразны, что учесть все эти свойства и связи сразу невозможно. Поэтому в процессе познания необхо- димо выделять в изучаемых объектах главное, существенное и отвлекаться от всего случайного, второстепенного. Мысленная операция, в ходе которой главное отделяется от второстепен- ного, называется абстрагированием. Построенная в результате абстрагирова- ния идеализированная, упрощенная схема явления или объекта называется фи- зической моделью. Примерами физических моделей являются материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальный газ, равновесный процесс, точечный заряд, элемент тока, абсолютно черное тело и т.д. Любая физическая модель имеет ограниченный характер и пригодна лишь для приближенного описания явления и объекта. Следовательно, законо- мерности, полученные на основе физических моделей, также имеют прибли- женный и ограниченный характер. Всегда имеется принципиальная возмож- ность уточнения, дополнения, обобщения того или иного закона. Однако уста- новленные на определенном этапе развития физики закономерности, правильно объясняющие экспериментальные данные, не отбрасываются с развитием ново- го этапа, а включаются в него, как предельный случай, справедливый в опреде- ленных условиях. Таким образом, всегда должен выполняться принцип соот- ветствия. 2. Все понятия и физические модели вводятся в науку с помощью опреде- лений, которые позволяют создать единую научную терминологию. Определе- ние – это сформулированное в сжатой форме содержания понятия. Во всех научных теориях есть понятия, которые принимаются без определений. В фи- зике без определений принимаются такие понятия, как состояние, явление, процесс, взаимодействие др. Основными физическими понятиями являются физическая величина и физический закон. 2.1. Физическая величина – это характеристика одного из свойств физи- ческого объекта или физического явления, которую можно прямо или косвенно измерить и выразить числом. В качественном отношении эта величина присуща многим объектам, в количественном отношении – индивидуальна. Например, любое физическое те- ло можно характеризовать массой, но численное значение массы у каждого тела свое. В определении физической величины необходимо отражать ее качествен- ное и количественное содержание. Отразить качественное содержание – значит указать, какое свойство или процесс характеризует величина. Например, сопро- тивление проводника характеризует способность проводника препятствовать прохождению тока; электроемкость проводника характеризует способность проводника накапливать электрический заряд. Введение 12 Отразить количественное содержание – значит указать способ измерения этой величины. Например, электроемкость – это величина, численно равная за- ряду, сообщение которого изменяет его потенциал на один вольт. Физические величины могут быть скалярными и векторными, поэтому в определении также необходимо указывать характер величины. В качестве при- мера приведем полное определение электроемкости. Электрическая емкость (электроемкость)– это скалярная физическая величина, характеризующая способность проводника накапливать электриче- ский заряд и численно равная заряду, сообщение которого изменяет потенциал проводника на один вольт: q C Не все понятия, рассматриваемые в физике, являются физическими вели- чинами. Не являются физическими величинами система отсчета, материальная точка, равновесный процесс и др. 2.2. Физический закон – это найденная на опыте или установленная тео- ретически, путем обобщения опытных данных, количественная или качествен- ная объективная зависимость одних физических величин от других. Число фундаментальных законов природы, известных в наше время, сравнительно невелико и выражаются они с математической точки зрения, как правило, просто. Гораздо более обширны и требуют более серьезного матема- тического аппарата частные случаи проявления законов. Используя правила об- ращения с математическими величинами, можно получить многочисленные следствия, допускающие экспериментальную проверку. Не следует путать определение физической величины с физическим зако- ном. Например, плотность твердого тела по определению равна V m Нельзя говорить, что плотность – это величина, пропорциональная массе тела и обратно пропорциональная его объему, так как у твердых тел нельзя из- менить массу, не изменив его объем. 3. Единицей физической величины называется условно выбранная физи- ческая величина, имеющая тот же физический смысл, что и рассматриваемая. Системой единиц называется совокупность единиц физических величин, отно- сящаяся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с опреде- ленными правилами. Основными единицами данной системы называются еди- ницы нескольких разнородных физических величин, произвольно выбранные при построении этой системы. Производными единицами называются едини- цы, устанавливаемые через другие единицы данной системы на основании фи- зических законов, которые выражают взаимосвязь между соответствующими физическими величинами. Введение 13 Стандартом установлено, что обязательному применению подлежат еди- ницы Международной системы единиц (СИ), а также десятичные кратные и дольные от них. Основными единицами СИ являются: метр (м) – единица дли- ны; килограмм (кг) – единица массы; секунда (с) – единица времени; ампер (А) – единица силы тока; кельвин (К) – единица термодинамической температуры; кандела (кд) – единица силы света; моль (моль) – единица количества вещества. Дополнительные единицы СИ: радиан (рад) – единица плоского угла; стерадиан (ср) – единица телесного угла. В некоторых областях науки и техники допускается использование вне- системных единиц. Например, в ядерной физике массу измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.). а энергию – в электрон-вольтах (эВ). Подробную информацию о единицах измерения можно найти в справоч- ных материалах. 4. Языком физики является математика, в частности дифференциальное и интегральное исчисления. Применяя аппарат высшей математики, физика вкла- дывает несколько иной смысл в некоторые ее понятия. Используемое в физике понятие «элементарная физическая величина» нельзя отождествлять с поняти- ем математически бесконечно малой величины. Например, элементарный объем dV – это такой объем, который, с одной стороны, столь велик, что содержит достаточно большое для того или иного усреднения количество частиц; с другой стороны, настолько мал, что данная мак- роскопическая величина, например плотность, во всех его точках остается одина- ковой, даже если она меняется в рассматриваемом макроскопическом объеме V. §3 Основные сведения о векторах Скалярные и векторные величины. Величины, значения которых зада- ются положительными или отрицательными числами, называют скалярными (масса, температура, работа и т.п.). Величины, значения которых определяются как числом, так и направлением в пространстве, называются векторными (си- ла, скорость, ускорение, напряженность электрического и магнитного поля и т.п.), и могут быть изображены векторами. Вектор – отрезок, имеющий определенную длину и направление. Обо- значаются векторы следующим образом a , b , c . Длина вектора a (модуль или абсолютная величина) обозначается а или a . Два вектора a и b считаются равными, если равны их модули и совпадают направления (т.е. векторы парал- лельны и ориентированы в одну сторону). Коллинеарные векторы – параллельные одной и той же прямой. Взаимно противоположные векторы – равные по длине и противоположные по направлению. Единичные векторы – векторы, модуль которых равен 1. Единичные векторы, имеющие направления прямо- угольных координатных осей 0 x , 0 y , 0 z (в сторону воз- растания координаты) называются ортами и обознача- ются i , j , k (рис. 3.1). M z y x 0 i j k r Рисунок 3.1 Введение 14 Радиус-вектор точки. Вектор M 0 , начало которого совпадает с началом координат, а конец находится в точке М (рис. 3.1) вполне определяет эту точку и называется радиус-вектором точки М . Обозначается r . Точка 0 в этом слу- чае называется полюсом. Линейные комбинации векторов . Сумма двух векторов a и b есть век- тор c , являющийся диагональю АС параллелограмма ABCD (рис. 3.2). Основные свойства суммы: a b b a , b a b a Разностью a – b называется сумма векторов a и – b (диагональ DB , рис. 3.2): d b a b a ) ( Произведением скаляра и вектора ( m a или a m ) называется вектор, кол- линеарный с вектором a , длина его равна a m , а направление совпадает с a при m> 0 и противоположно ему при m< 0. Каждый вектор a в пространстве может быть разложен на сумму векто- ров параллельных ортам i , j , k : z y x a k a j a i a , где a x , a y , a z – проекции a на соответствующие координатные оси. Скалярное умножение векторов. Скалярным произведением векторов a и b называется скаляр, определяемый равенством cos ab b a , где – угол между векторами a и b , приведенными к общему началу (обозна- чения см. рис. 3.3). Векторное умножение векторов. Векторным произведением векторов a и b (обозначается b a или ] [ b a ) называется вектор c , длина которого рав- на sin ab (т.е. равна площади параллелограмма, построенного на векторах a и b как на сторонах) и который направлен перпендикуляр- но a и b в такую сторону, чтобы три вектора a , b и c образовали правую тройку. После совмещения начал век- торов a , b и c кратчайший поворот от a к b кажется наблюдателю, смотрящему с конца вектора c , идущим против часовой стрелки (рис. 3.3). A D C B b a d c Рисунок 3.2 c b a Рисунок 3.3 Введение 15 Таблица 3.1 Свойства произведений векторов Скалярное Векторное 1. a b b a 1. a b b a при перестановке множителей векторное произведение изменяет свое направление 2. b a m b a m 2. b a m b a m 3. c a b a c b a 3. c a b a c b a 4. 0 b a , если b a условие перпендикулярности векторов 4. 0 b a , если a II b условие коллинеарности векторов 5. 2 a a a 5. 0 a a Правила дифференцирования векторов dt c d dt b d dt a d c b a dt d dt a d k a dt dk a k dt d ( k – скалярная функция от t ) dt b d a b dt a d b a dt d dt b d a b dt a d b a dt d (множители нельзя переставлять местами) dt d d a d t a dt d )] ( [ Скалярные и векторные поля. Градиент Скалярным полем называется область пространства, каждой точке кото- рой отнесено значение некоторой скалярной величины ) , , ( z y x . Таким по- лем является, например, поле температуры неравномерно нагретого тела, поле плотности неоднородного тела, поле электростатического потенциала и т.п. Векторным полем называется область пространства, каждой точке кото- рой отнесено значение некоторого вектора. Таким полем является поле вектора напряженности электрического поля E , вектора магнитной индукции B Введение 16 Градиент скалярной величины – это вектор, направленный в сторону максимального возрастания этой величины и численно равный изменению ве- личины, приходящемуся на единицу длины в этом направлении. Рассмотрим понятие градиента на примере градиента температуры. Предположим, что температура меняется вдоль некоторого направления х (рис. 3.4). Если соеди- нить все точки тела с одинаковой температурой, то получится поверхность равных температур, ко- торую называют изотермической. На рис. 3.4 изображены три поверхности с температурами T dT ; T ; T + dT , где dT – это бесконечно малое из- менение температуры. Изотермические поверхно- сти не пересекаются, так как каждой точке тела соответствует своя температура. Они или замы- каются сами на себя, или заканчиваются на гра- нице тела. Изменение температуры в произвольном направлении l характеризуется производной по направлению l T . Эта производная будет иметь максимальное значение в направлении нормали к изотермной поверхности (в нашем случае это направление х ). Вектор, направленный по нормали к изотермной поверхно- сти в сторону возрастания температуры называется градиентом температуры и обозначается T grad : T x T l T grad max Численно градиент температуры равен разности температур двух точек отстоящих друг от друга на единицу длины. Если ввести декартову систему координат, то градиент температуры мо- жет быть выражен соотношением: z T k y T j x T i T grad , где i , j , k единичные векторы. Обратите внимание! Понятие градиента различных величин очень широ- ко используется в физике, и мы будем к нему не раз обращаться. dS x T grad T T+dT T dT l Рисунок 3.4 Физические основы механики 17 ЧАСТЬ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ Простейшей формой движения является механическое движение, состо- ящее в изменении положения тела с течением времени относительно других тел или частей одного и того же тела. Раздел физики, изучающий закономерности механического движения и взаимодействия тел, называется механикой. Движение тел со скоростями, мно- го меньшими скорости света с в вакууме, изучает классическая механика. В основе классической механики лежат законы динамики, сформулированные Ньютоном* в 1687 году. Законы Ньютона возникли в результате обобщения большого количества опытных фактов. С развитием науки обнаружились новые факты, которые не укладывались в рамки классической механики. Они получили свое объяснение в теории отно- сительности и в квантовой механике. Теория относительности, сформулированная А. Эйнштейном* в 1905 году, пересмотрела ньютоновские представления о пространстве и време- ни. В результате была создана механика тел, движущихся со скоростями, близ- кими к скорости света в вакууме – релятивистская механика. Уравнения ре- лятивистской механики в пределе (для скоростей малых по сравнению со ско- ростью света) переходят в уравнения классической механики. Таким образом, классическая механика вошла в релятивистскую механику как частный случай и сохранила свое прежнее значение для описания движения тел с малыми ско- ростями. В результате развития физики атома в 20-х годах двадцатого века была создана квантовая механика. Уравнения квантовой механики также дают в пределе (для масс, больших по сравнению с массами атомов) уравнения клас- сической механики. Следовательно, классическая механика вошла и в кванто- вую механику как предельный случай. Таким образом, развитие науки не пере- черкнуло классическую механику, а лишь показало ее ограниченную примени- мость. Классическая механика состоит из трех разделов: кинематики, динамики и статики. Кинематика математически описывает различные виды механическо- го движения, не выясняя причин этого движения. Динамика исследует влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. Статика изучает условия равновесия тел. Законы статики являются частным случаем законов ди- намики, поэтому в данном курсе статику мы рассматривать не будем. |