Физика [РТФ, Браже & Долгов, 1 семестр] / Шизика
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Р. А. Браже
ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ
для студентов очно-заочной и заочной форм обучения по техническим направлениям подготовки бакалавров
Учебное пособие
Ульяновск
УлГТУ
2016
УДК 53(075.8) ББК 22.3я73
Б 87
Рецензенты:
кафедра теоретической и прикладной физики Новосибирского государственного аграрного университета
(зав. кафедрой – доктор технических наук, профессор А. П. Пичугин); доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой физик и химии Пензенского государственного университета архитектуры и строительства Г. И. Грейсух
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Браже, Р. А.
Б87 Лекции по физике для студентов очно-заочной и заочной форм обучения по техническим направлениям подготовки бакалавров : учебное пособие / Р. А. Браже. – Ульяновск :
УлГТУ, 2016. − 312 с.
ISBN 978-5-9795-1517-5
Пособие содержит изложение лекций по физике, прочитанных автором в течение ряда последних лет студентам 1–2 курса заочно-вечернего факультета Ульяновского государственного технического университета. Соответствует федеральным государственным образовательным стандартам высшего образования для технических направлений подготовки бакалавров с общей трудоемкостью по дисциплине «Физика» в объеме 8–12 зачетных единиц.
Предназначено для студентов высших учебных заведений очнозаочной и заочной форм обучения по техническим направлениям подготовки бакалавров.
Печатается в авторской редакции.
УДК 53(075.8) ББК 22.3я73
|
© Браже Р. А., 2016 |
ISBN 978-5- 9795-1517-5 |
© Оформление. УлГТУ, 2016 |
Оглавление
Предисловие......................................................................................................... |
8 |
|
Введение................................................................................................................ |
10 |
|
Глава 1. Механика............................................................................................. |
15 |
|
Лекция 1 |
...................................................................................................................... |
15 |
1.1. Физические ...............................................основы классической механики |
15 |
|
§ 1. ........................................................ |
Постулаты классической механики |
15 |
§ 2. ....................................................... |
Преобразования координат Галилея |
19 |
§ 3. ........................................................................................ |
Законы Ньютона |
23 |
§ 4. ................................................................................. |
Сложение скоростей |
24 |
§ 5. ................................................................................ |
Сложение ускорений |
26 |
§ 6. .................................................................................................Центр масс |
26 |
|
§ 7. ...............................................Поступательное движение твердого тела |
28 |
|
§ 8. ..................................................Вращательное движение твердого тела |
29 |
|
Лекция 2...................................................................................................................... |
|
37 |
1.2. Законы ............................................................................................сохранения |
37 |
|
§ 1. ........................................................................................... |
Теорема Нётер |
37 |
§ 2. ..................................................................... |
Закон сохранения импульса |
38 |
§ 3. ..................................................... |
Закон сохранения момента импульса |
40 |
§ 4. .............................................. |
Закон сохранения механической энергии |
43 |
Лекция 3...................................................................................................................... |
|
49 |
1.3. Физические ..........................................основы релятивистской механики |
49 |
|
§ 1. .....................................................Постулаты релятивистской механики |
49 |
|
§ 2. ..........................Преобразования Лоренца для координат и скоростей |
51 |
|
§ 3. ............................................................................ |
Сокращение масштабов |
54 |
§ 4. ................................................................................. |
Замедление времени |
55 |
§ 5. ........................................ |
Относительность одновременности событий |
57 |
§ 6. ............................................................ |
Релятивистские масса и импульс |
58 |
§ 7. ................................................ |
Релятивистские выражения для энергии |
59 |
Глава 2. ..................................................Электричество и магнетизм |
62 |
|
Лекция 4...................................................................................................................... |
|
62 |
2.1. Уравнения .............................................................электромагнитного поля |
62 |
|
§ 1. .......................... |
Характеристики электрического и магнитного полей |
62 |
§ 2. .................................................................. |
Первое уравнение Максвелла |
66 |
3
§ 3. |
Второе уравнение Максвелла .................................................................. |
68 |
§ 4. |
Третье уравнение Максвелла ................................................................... |
70 |
§ 5. |
Четвертое уравнение Максвелла ............................................................. |
72 |
§ 6. |
Полная система уравнений Максвелла ................................................... |
72 |
Лекция 5 |
...................................................................................................................... |
74 |
2.2. Электростатика ................................................................и магнитостатика |
74 |
|
§ 1. ....................................... |
Уравнения электростатики и магнитостатики |
74 |
§ 2. ..............................................................Электроемкость. Конденсаторы |
76 |
|
§ 3. .....................................................................Индуктивность. Соленоиды |
78 |
|
§ 4. ............................................................Энергия и силы в электростатике |
80 |
|
Лекция 6...................................................................................................................... |
|
82 |
2.3. Законы ...........................................................................стационарных токов |
82 |
|
§ 1. ..................................................... |
Характеристики электрического тока |
82 |
§ 2. .................................................................................... |
Правила Кирхгофа |
84 |
§ 3. ............................ |
Классическая теория электропроводности металлов |
86 |
§ 4. ............................. |
Закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме |
88 |
§ 5. ........................................... |
Энергия и мощность в электрической цепи |
88 |
Глава 3. .....................................................................Колебания и волны |
91 |
|
Лекция 7...................................................................................................................... |
|
91 |
3.1. Свободные ............................................................незатухающие колебания |
91 |
|
§ 1. ..................................................................... |
Гармонический осциллятор |
91 |
§ 2. .................................................................................Физический маятник |
94 |
|
§ 3. ..........................................................Идеальный колебательный контур |
96 |
|
Лекция 8...................................................................................................................... |
|
99 |
3.2. Сложение ............................................................гармонических колебаний |
99 |
|
§ 1. ......................................................... |
Сложение когерентных колебаний |
99 |
§ 2. ....................................................................................................... |
Биения |
101 |
§ 3. .............................. |
Сложение взаимно перпендикулярных колебаний |
103 |
§ 4. ...................................................................................... |
Фигуры Лиссажу |
106 |
Лекция 9..................................................................................................................... |
|
108 |
3.3. Затухающие ......................................................и вынужденные колебания |
108 |
|
§ 1. ............................................................................ |
Затухающие колебания |
108 |
§ 2. ............................................... |
Характеристики затухающих колебаний |
112 |
§ 3. ........................................................................ |
Вынужденные колебания |
115 |
§ 4. .................................................................................................... |
Резонанс |
116 |
Лекция 10................................................................................................................... |
119 |
|
3.4. Волновые ..........................................................................................процессы |
119 |
|
§ 1. ......................................................................................... |
Упругие волны |
119 |
4
§ 2. Электромагнитные волны....................................................................... |
121 |
§ 3. Энергия бегущей волны.......................................................................... |
123 |
§ 4. Скорости распространения упругих волн............................................. |
126 |
§ 5. Стоячие упругие волны........................................................................... |
131 |
Глава 4. Волновая оптика.......................................................................... |
135 |
Лекция 11................................................................................................................... |
135 |
4.1. Поляризация света ........................................................................................... |
135 |
§ 1. Понятие о поляризации волн. Виды поляризации света...................... |
135 |
§ 2. Поляризация света на границе раздела сред......................................... |
137 |
§ 3. Поляризация света при прохождении через кристаллы ...................... |
140 |
§ 4. Управление поляризацией света ............................................................ |
142 |
§ 5. Искусственная анизотропия среды........................................................ |
147 |
Лекция 12................................................................................................................... |
150 |
4.2. Интерференция света....................................................................................... |
150 |
§ 1. Понятие интерференции волн ................................................................ |
150 |
§ 2. Условия максимумов и минимумов интерференции........................... |
151 |
§ 3. Временная и пространственная когерентность излучения.................. |
153 |
§ 4. Интерференция света от двух щелей..................................................... |
155 |
§ 5. Интерференция света в тонких пластинках.......................................... |
156 |
Лекция 13................................................................................................................... |
159 |
4.3. Дифракция света............................................................................................... |
159 |
§ 1. Принцип Гюйгенса – Френеля................................................................ |
159 |
§ 2. Зоны Френеля. Зонные пластинки ......................................................... |
161 |
§ 3. Дифракция Фраунгофера на щели ......................................................... |
164 |
§ 4. Дифракционная решетка......................................................................... |
166 |
Лекция 14................................................................................................................... |
171 |
4.4. Взаимодействие света с веществом............................................................... |
171 |
§ 1. Дисперсия волн. Соотношение Рэлея.................................................... |
171 |
§ 2. Физическая природа дисперсии света ................................................... |
172 |
§ 3. Поглощение света.................................................................................... |
174 |
§ 4. Рассеяние света ........................................................................................ |
175 |
Глава 5. Квантовая физика....................................................................... |
179 |
Лекция 15................................................................................................................... |
179 |
5.1. Квантовая природа излучения....................................................................... |
179 |
§ 1. Тепловое излучение................................................................................. |
179 |
§ 2. Формула Планка и ее следствия............................................................. |
183 |
§ 3. Внешний фотоэффект.............................................................................. |
188 |
5
§ 4. Давление света ......................................................................................... |
191 |
§ 5. Эффект Комптона.................................................................................... |
193 |
Лекция 16................................................................................................................... |
195 |
5.2. Волновые свойства частиц ............................................................................. |
195 |
§ 1. Волны де Бройля...................................................................................... |
195 |
§ 2. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.................................... |
196 |
§ 3. Уравнение Шредингера........................................................................... |
198 |
§ 4. Прохождение частицы через потенциальный барьер .......................... |
202 |
§ 5. Частица в одномерной потенциальной яме........................................... |
204 |
§ 6. Линейный гармонический осциллятор.................................................. |
207 |
Лекция 17................................................................................................................... |
209 |
5.3. Физика атомов и молекул............................................................................... |
209 |
§ 1. Атом водорода.......................................................................................... |
.209 |
§ 2. Многоэлектронные атомы....................................................................... |
215 |
§ 3. Характеристическое рентгеновское излучение.................................... |
219 |
§ 4. Молекулы.................................................................................................. |
221 |
Лекция 18................................................................................................................... |
225 |
5.4. Атомное ядро ..................................................................................................... |
225 |
§ 1. Строение атомных ядер........................................................................... |
225 |
§ 2. Критерий устойчивости ядра.................................................................. |
228 |
§ 3. Радиоактивность ...................................................................................... |
231 |
§ 4. Деление тяжелых ядер............................................................................. |
234 |
§ 5. Ядерный синтез........................................................................................ |
236 |
Глава 6. Молекулярная физика и термодинамика.................... |
238 |
Лекция 19................................................................................................................... |
238 |
6.1. Основы классической статистической физики.......................................... |
238 |
§ 1. Распределение Максвелла....................................................................... |
238 |
§ 2. Характерные скорости движения молекул............................................ |
240 |
§ 3. Распределение Больцмана....................................................................... |
243 |
§ 4. Энтропия................................................................................................... |
244 |
Лекция 20................................................................................................................... |
249 |
6.2. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа............................... |
249 |
§ 1. Внутренняя энергия идеального газа..................................................... |
249 |
§ 2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории................... |
252 |
§ 3. Кинетическая теория явлений переноса в газах................................... |
255 |
Лекция 21................................................................................................................... |
262 |
6.3. Начала термодинамики................................................................................... |
262 |
§ 1. Первое начало термодинамики............................................................... |
262 |
6
§ 2. Классическая теория теплоемкостей ..................................................... |
265 |
§ 3. Теорема Карно.......................................................................................... |
267 |
§ 4. Второе начало термодинамики............................................................... |
269 |
§ 5. Третье начало термодинамики ............................................................... |
272 |
Лекция 22................................................................................................................... |
273 |
6.4. Фазовые состояния, переходы и равновесия .............................................. |
273 |
§ 1. Основные понятия ................................................................................... |
273 |
§ 2. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса...................................................... |
276 |
§ 3. Уравнение Ван-дер-Ваальса ................................................................... |
278 |
§ 4. Критические параметры.......................................................................... |
282 |
Глава 7. Элементы физики твердого тела..................................... |
284 |
Лекция 23................................................................................................................... |
284 |
7.1. Симметрия кристаллов. Тепловые свойства твердых тел....................... |
284 |
§ 1. Кристаллическая решетка....................................................................... |
284 |
§ 2. Дефекты кристаллической решетки....................................................... |
288 |
§ 3. Фононы. Распределение Бозе – Эйнштейна.......................................... |
290 |
§ 4. Теплоемкость твердых тел...................................................................... |
292 |
Лекция 24................................................................................................................... |
296 |
7.2. Электропроводность твердых тел................................................................. |
296 |
§ 1. Распределение Ферми – Дирака............................................................. |
296 |
§ 2. Элементы зонной теории твердых тел................................................... |
298 |
§ 3. Электропроводность металлов............................................................... |
303 |
§ 4. Электропроводность полупроводников ................................................ |
306 |
Список использованной литературы................................................ |
312 |
7
Предисловие
Процесс преподавания любой дисциплины, в том числе физики, студентам очно-заочной (вечерней) и зочной форм обучения обладает рядом особенностей. Во-первых, в учебных планах для этих категорий обучающихся предусмотрен значительно меньший процент аудиторных занятий, чем у студентов очной формы обучения. Основной упор сделан на самостоятельную работу студентов с учебной литературой. Во-вторых, из-за проблем, связанных с работой, эти студенты значительно чаще, чем студенты-очники, пропускают даже те немногочисленные аудиторные занятия, которые предусмотрены расписанием занятий. Наконец, в-третьих, это студенты, как правило, более старшего возраста, окончившие школу сравнительно давно, и поэтому уровень их стартовых знаний по предмету крайне низкий.
Эти обстоятельства диктуют необходимость наличия для сту- дентов-вечерников и заочников отдельных учебных пособий, отличных от используемых студентами-очниками. Такие учебные пособия должны быть более краткими и конкретными. Они не должны быть перегружены сложными математическими преобразованиями. Они должны быть написаны более образным языком и снабжены более содержательными и наглядными иллюстрациями и примерами. Разумеется, при всем этом не должны пострадать строгость изложения теоретического материала и корректность полученных выводов.
К сожалению, в настоящее время, насколько известно автору, учебные пособия по физике, содержащие лекционный материал, для студентов очно-заочной и заочной форм обучения по федеральным государственным стандартам высшего образования по техническим направлениям бакалавриата в отечественной учебно-педагогической практике отсутствуют. Что касается задачников по физике, то широко известное и повсеместно использовавшееся в нашей стране учебное
8
пособие А. Г. Чертова «Физика. Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников инженерно-технических специальностей вузов (включая сельскохозяйственные вузы)» не переиздавалось с 1987 года и, конечно, уже не отражает реалий сегодняшнего дня.
В связи с этим, издание учебной литературы по физике, ориентированной на использование студентами-вечерниками и заочниками, представляется крайне важной и актуальной задачей. Автор надеется, что предлагаемое пособие внесет некоторый вклад в решение этой задачи.
Указанное учебное пособие представляет собой сокращенный и упрощенный, в соответствии со спецификой очно-заочной и заочной форм обучения, вариант ранее изданных книг: Р. А. Браже. Лекции по физике. − Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 383 с. и Р. А. Браже. Лекции по физике. – СПб.: Издательство «Лань», 2013. – 320 с. Кроме того, в пособие добавлен раздел «Элементы физики твердого тела», крайне важный для студентов, обучающихся по радиотехническим, машиностроительным и строительным направлениям подготовки бакалавров. Исправлены также многочисленные опечатки, допущенные в вышеназванных книгах.
Р. А. Браже
9
Введение
Физика (от др.-греч. ϕυσις − природа) – это наука, изучающая наиболее общие закономерности, определяющие строение и эволюцию материального мира. Материя хотя и переводится с латыни как вещество, в настоящее время рассматривается в более широком смысле. В философии под материей понимается философская категория для обозначения объективной реальности, включающей в себя бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, а также любых форм движения, отношений и взаимодействий. В физике используется более узкий подход: материя – это фунда-
ментальное понятие, связанное с любыми существующими в природе объектами, о которых можно судить по оказываемому с их стороны воздействию или реакции. При этом оказываемое воздействие мы можем воспринимать непосредственно через органы чувств, благодаря ощущениям, или установить его наличие при помощи каких-либо приборов.
В современной физике выделяют три формы существования ма-
терии: вещество, поле и физический вакуум. При этом вещество рассматривается как вид материи, обладающий массой покоя и дискретной структурой, образуемой взаимодействующими системами фундаментальных частиц.
Стандартная модель строения вещества, сложившаяся в современной физике, исходит из того, что вся «видимая» материя во Вселенной состоит из фундаментальных частиц трех типов: лептонов, кварков и носителей взаимодействия – бозонов. Фундаментальные частицы связаны с четырьмя типами известных науке фундаменталь-
ных взаимодействий: гравитационным, слабым, электромагнитным и сильным.
10