Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по физики Аксенова .doc
Скачиваний:
238
Добавлен:
15.03.2015
Размер:
3.44 Mб
Скачать

198

Исаев Ярослав, студент группы ИКТ-115 ф-та СС, СК и ВТ

Оглавление

  • Лекции: Физические основы механики

    • Лекции: Кинематика поступательного движения материальной точки и твердого тела

      • 1. Кинематика. Введение.

      • 1.1. Радиус-вектор материальной точки

      • 1.2.Кинематические уравнения движения материальной точки

      • 1.3. Траектория материальной точки

      • 1.4.Вектор перемещения

      • 1.5. Скорость

      • 1.6. Ускорение

      • 1.7. Криволинейное движение. Тангенциальное и нормальное ускорения

      • 1.8. Методические указания к решению задач по кинематике

    • Лекции: Кинематика вращательного движения

      • 2. Кинематика вращательного движения. Введение

      • 2.1. Угол поворота твердого тела

      • 2.2. Угловая скорость

      • 2.3. Период и частота обращения

      • 2.4. Угловое ускорение

      • 2.5. Связь угловых и линейных величин

    • Лекции: Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела

      • 3. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела

      • 3.1. Первый закон Ньютона

      • 3.2. Понятие о силе

      • 3.3. Масса. Второй закон Ньютона

      • 3.4. Принцип независимости действия сил

      • 3.5.Третий закон Ньютона

      • 3.6 Преобразование координат Галилея и механический принцип относительности

      • 3.7.Основное уравнение динамики поступательного движения материальной точки. Импульс материальной точки

      • 3.8. Центр инерции системы

      • 3.9. Универсальная форма второго закона Ньютона, выраженная через импульс системы

      • 3.10. Основное уравнение динамики поступательного движения твердого тела

      • 3.11.Изолированная (замкнутая) система. Закон сохранения импульса

      • 3.12. Методические указания к решению задач по динамике

    • Лекции: Энергия и работа

      • 4. Энергия и работа

      • 4.1. Основные понятия об энергии механической системы

      • 4.2. Работа

      • 4.3. Консервативные силы. Условие потенциальности силового поля

      • 4.4. Мощность

      • 4.5 Кинетическая энергия

      • 4.6.Потенциальная энергия

      • 4.7. Закон сохранения и превращения энергии

      • 4.8. Связь между потенциальной энергией и силой

    • Лекции: Динамика вращательного движения твердого тела

      • 5. Динамика вращательного движения твердого тела. Введение

      • 5.1. Особенности вращательного движения

      • 5.2. Вращающий момент (или момент силы)

      • 5.3. Момент инерции материальной точки относительно неподвижной оси вращения

      • 5.4. Момент инерции твердого тела

      • 5.5. Второй закон Ньютона для вращательного движения и его анализ

      • 5.6. Момент импульса материальной точки и твердого тела

      • 5.7. Основное уравнение динамики вращательного движения

      • 5.8. Закон сохранения момента количества движения

      • 5.9. Гироскоп. Гироскопический эффект

      • 5.10. Кинетическая энергия вращающегося тела

      • 5.11. Работа внешних сил при вращении твердого тела

    • Лекции: Специальная теория относительности

      • 6. Специальная теория относительности. Введение

      • 6.1. Преобразования Лоренца

      • 6.2. Одновременность событий в разных системах отсчета

      • 6.3. Длина тел в разных системах

      • 6.4. Длительность событий в разных системах отсчета

      • 6.5. Релятивистский закон сложения скоростей

      • 6.6. Релятивистский импульс

  • Лекции: Механически колебания и волны

    • Лекции: Механические колебания

      • 7. Механические колебания. Введение

      • 7.1 Основные понятия и определения

      • 7.2. Колебания под действием упругой силы (пружинный маятник)

      • 7.3. Энергия колеблющегося тела

      • 7.4. Основное уравнение гармонических свободных колебаний. (Дифференциальное уравнение гармонических колебаний)

      • 7.5. Математический и физический маятники

      • 7.6. Сложение механических колебаний

      • 7.7.Затухающие колебания

      • 7.8. Вынужденные колебания

    • Лекции: Механические волны

      • 8. Механические волны

      • 8.1. Распространение волн в упругой среде

      • 8.2. Уравнение плоской одномерной волны

      • 8.3. Фазовая скорость

      • 8.4.Волновая поверхность, фронт волны

      • 8.5. Уравнение плоской волны распространяющейся в произвольном направлении

      • 8.6. Волновое уравнение

      • 8.7. Энергия волны

      • 8.8. Объемная плотность энергии волны

      • 8.9. Плотность потока энергии. Вектор Умова

      • 8.10. Стоячие волны

  • Лекции: Молекулярная физика и термодинамика

    • Лекции: Основы термодинамики

      • 9. Основы термодинамики.Термодинамический и молекулярно – кинетический метод исследования явлений природы

      • 9.1. Термодинамическое состояние тела

      • 9.2 Внутренняя энергия

      • 9.3 Работа газа

      • 9.4 Первый закон (начало) термодинамики

      • 9.5. Основные понятия о теплоемкости вещества

      • 9.6 Изохорический процесс (V=const)

      • 9.7 Изобарический процесс

      • 9.8 Изотермический процесс

      • 9.9 Адиабатический процесс

      • 9.10. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс

      • 9.11 Цикл Карно

      • 9.12. Второе начало термодинамики

      • 9.13 Приведенная теплота. Равенство (неравенство) Клаузиуса

      • 9.14 Теорема Клаузиуса

      • 9.15 Энтропия

      • 9.16 Свойства энтропии

      • 9.17 Физический смысл энтропии

    • Лекции: Основы молекулярно-кинетической теории газов

      • 10. Основы молекулярно-кинетической теории газов. Введение

      • 10.1 Основное уравнение м.к.т. идеальных газов. Температура

      • 10.2 Распределение энергии по степеням свободы молекулы

      • 10.3 Внутренняя энергия идеального газа

    • Лекции: Статистические распределения

      • 11. Статистические распределения

      • 11.1 Распределение молекул по скоростям

      • 11.2 Закон распределения молекул идеального газа во внешнем силовом поле

      • 11.3. Распределение давления по высоте

      • 11.4. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул

    • Лекции: Явления переноса

      • 12. Явления переноса. Введение

      • 12.1 Диффузия

      • 12.2 Теплопроводность

      • 12.3. Внутреннее трение

  • Лекции: Электростатика

    • Лекции: Основы электростатики

      • 13. Основы электростатики

      • 13.1. Взаимодействие зарядов Закон Кулона

      • 13.2. Электрический диполь

      • 13.3. Электростатическое поле. Напряженность поля

      • 13.4. Силовые линии электрического поля

      • 13.5. Принцип суперпозиции электрических полей

      • 13.6. Поток вектора напряженности электростатического поля

      • 13.7. Теорема Остроградского - Гаусса

      • 13.8. Примеры применения теоремы Гаусса

      • 13.9. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда

      • 13.10. Потенциальная энергия электростатического поля

      • 13.11. Циркуляция вектора напряженности

      • 13.12. Потенциал электростатического поля

      • 13.13. Эквипотенциальные поверхности

      • 13.14. Связь между напряженностью и потенциалом

      • 13.15.Вычисление потенциала простейших электрических полей

    • Лекции: Электрическое поле в диэлектриках

      • 14. Электрическое поле в диэлектриках. Введение

      • 14.1. Поляризация диэлектриков

      • 14.2. Напряженность электрического поля в диэлектрике

      • 14.3. Электрическое смещение

      • 14.4. Поле на границах раздела диэлектрика

    • Лекции: Проводники в электрическом поле

      • 15. Проводники в электрическом поле

      • 15.1. Равновесие зарядов на проводнике

      • 15.2. Напряженность электростатического поля вблизи заряженной поверхности проводника

      • 15.3. Проводники во внешнем электрическом поле

      • 15.4. Электроемкость проводников

      • 15.5. Конденсаторы

    • Лекции: Энергия электрического поля

      • 16. Энергия электрического поля

      • 16.1. Энергия системы зарядов

      • 16.2. Энергия заряженного уединенного проводника и конденсатора

      • 16.3. Объемная плотность энергии электростатического поля

  • Лекции: Постоянный электрический ток

    • Лекции: Электропроводность металлов

      • 17. Электропроводность металлов

      • 17.1. Электрический ток

      • 17.2. Электродвижущая сила

      • 17.3. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников

      • 17.4. Закон Ома в интегральной форме

      • 17.5 Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

      • 17.6. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа

    • Лекции: Классическая теория электропроводности

      • 18. Классическая теория электропроводности

      • 18.1. Основы классической электронной теории электропроводности металлов

      • 18.2. Вывод закона Ома в дифференциальной форме в классической электронной теории

      • 18.3. Вывод закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме в классической теории электропроводности

      • 18.4. Связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов (закон Видемана-Франца)

      • 18.5. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов

      • 18.6. Работа выхода из металла. Термоэлектронная эмиссия

    • Лекции: Электрический ток в газах

      • 19. Электрический ток в газах

      • 19.1. Носители тока в газах

      • 19.2. Несамостоятельный газовый разряд

      • 19.3. Самостоятельный газовый разряд

Contents

Contents 5

1.1. Радиус-вектор материальной точки 11

7.2. Колебания под действием упругой силы (пружинный маятник) 62

7.3. Энергия колеблющегося тела 64

7.4. Основное уравнение гармонических свободных колебаний. (Дифференциальное уравнение гармонических колебаний) 65

7.5. Математический и физический маятники 65

7.6. Сложение механических колебаний 69

7.7.Затухающие колебания 73

7.8. Вынужденные колебания 76

8.1. Распространение волн в упругой среде 79

8.2. Уравнение плоской одномерной волны 81

8.3. Фазовая скорость 82

8.4.Волновая поверхность, фронт волны 83

8.5. Уравнение плоской волны распространяющейся в произвольном направлении 83

8.6. Волновое уравнение 85

8.7. Энергия волны 86

8.8. Объемная плотность энергии волны 86

8.9. Плотность потока энергии. Вектор Умова 87

8.10. Стоячие волны 88

9. Основы термодинамики.Термодинамический и молекулярно – кинетический метод исследования явлений природы 90

9.1. Термодинамическое состояние тела 90

9.2 Внутренняя энергия 92

9.3 Работа газа 92

9.4 Первый закон (начало) термодинамики 94

9.5. Основные понятия о теплоемкости вещества 95

9.6 Изохорический процесс (V=const) 96

9.7 Изобарический процесс 96

9.8 Изотермический процесс 98

9.9 Адиабатический процесс 99

9.10. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс 102

9.11 Цикл Карно 103

9.12. Второе начало термодинамики 105

9.13 Приведенная теплота. Равенство (неравенство) Клаузиуса 106

9.14 Теорема Клаузиуса 108

9.15 Энтропия 109

9.16 Свойства энтропии 109

9.17 Физический смысл энтропии 110

10. Основы молекулярно-кинетической теории газов. Введение 111

10.1 Основное уравнение м.к.т. идеальных газов. Температура 111

10.2 Распределение энергии по степеням свободы молекулы 115

10.3 Внутренняя энергия идеального газа 117

11. Статистические распределения 117

11.1 Распределение молекул по скоростям 117

11.2 Закон распределения молекул идеального газа во внешнем силовом поле 119

11.3. Распределение давления по высоте 120

11.4. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул 121

12. Явления переноса. Введение 122

12.1 Диффузия 123

12.2 Теплопроводность 123

12.3. Внутреннее трение 124

13. Основы электростатики 124

13.1. Взаимодействие зарядов Закон Кулона 124

13.2. Электрический диполь 125

13.3. Электростатическое поле. Напряженность поля 125

13.4. Силовые линии электрического поля 126

13.5. Принцип суперпозиции электрических полей 127

13.6. Поток вектора напряженности электростатического поля 128

13.7. Теорема Остроградского - Гаусса 129

13.8. Примеры применения теоремы Гаусса 131

13.10. Потенциальная энергия электростатического поля 138

13.11. Циркуляция вектора напряженности 138

13.12. Потенциал электростатического поля 139

13.13. Эквипотенциальные поверхности 140

13.14. Связь между напряженностью и потенциалом 140

13.15.Вычисление потенциала простейших электрических полей 141

14. Электрическое поле в диэлектриках. Введение 143

14.1. Поляризация диэлектриков 143

14.2. Напряженность электрического поля в диэлектрике 146

14.3. Электрическое смещение 148

14.4. Поле на границах раздела диэлектрика 150

15. Проводники в электрическом поле 152

15.1. Равновесие зарядов на проводнике 154

15.2. Напряженность электростатического поля вблизи заряженной поверхности проводника 155

15.3. Проводники во внешнем электрическом поле 157

15.4. Электроемкость проводников 157

15.5. Конденсаторы 159

16. Энергия электрического поля 160

16.1. Энергия системы зарядов 162

16.2. Энергия заряженного уединенного проводника и конденсатора 163

16.3. Объемная плотность энергии электростатического поля 164

17. Электропроводность металлов 165

Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состоя­ние от каждого атома металла переходит от одного до двух электро­нов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов сузлами кристаллической решетки энергия, накопленная при уско­рении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чегоон нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона Джоуля—Ленца.Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газев металлах, а именно:</p><p>1. При длительном пропускании электрического тока через цепь,состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновенияатомов одного металла в другой.</p><p>2. При нагреве металлов до высоких температур скорость тепло­вогодвижения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могутвылетать из металла, преодолевая силы поверх­ностного потенциального барьера.</p><p>3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося про­водникапроисходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения.Смещение электронов приводит к появ­лению разности потенциалов на концахзаторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибораотклоня­ется по шкале.</p><p>4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитномполе, установили, что вследствие искривления траектории электро­нов вметаллической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляетсяпоперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.</p><p>Однако выявились и противоречиянекоторых выводов теории с опытными данными. Они со­стояли в расхождениитемпературной зависимо­сти удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте ивытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных зна­ченийтеплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньшетеоретической и такова, как будто электронный газ не погло­щает теплоту принагреве металлического проводника. Эти про­тиворечия удалось преодолеть,рассматривая некоторые положе­ния с позиций квантовой механики. В отличие отклассической электронной теории в квантовой механике принимается, чтоэлектронный газ в металлах при обычных температурах находится в состояниивырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит оттемпературы, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов.Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что иобнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состоя­ние, аналогичноеобычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысячКельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионыскрепляются посредством свободно движущихсяэлектронов, легко понять природу всех ос­новных свойств металлов:пластичности, ковкости, хорошей тепло­проводности и высокой электропроводности. 165

17.1. Электрический ток 166

17.2. Электродвижущая сила 167

17.3. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников 169

17.4. Закон Ома в интегральной форме 170

17.5 Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах 172

17.6. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа 173

18. Классическая теория электропроводности 175

18.1. Основы классической электронной теории электропроводности металлов 183

18.2. Вывод закона Ома в дифференциальной форме в классической электронной теории 184

18.3. Вывод закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме в классической теории электропроводности 185

18.4. Связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов (закон Видемана-Франца) 185

18.5. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов 186

18.6. Работа выхода из металла. Термоэлектронная эмиссия 187

19. Электрический ток в газах 190

19.1. Носители тока в газах 195

Газы в отличие от металлов состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов), способных приходить в упорядоченное движение под действием электрического поля. Следовательно, при нормальных условиях газы являются изоляторами. Это подтверждается опытами с заряженными изолированными проводниками в сухом воздухе: их заряд практически не изменяется в течение длительного времени. Газ становится проводником, если часть его молекул ионизируется, т. е. они расщепляются на электроны и положительные ионы. В газе могут возникнуть и отрицательные ионы вследствие соединения с его нейтральными молекулами части освободившихся электронов. Атомы и молекулы газа представляют собой устойчивые системы заряженных частиц. Поэтому для ионизации атома (или молекулы), необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы) Эта работа называется работой ионизации Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. Наиболее слабо связаны с ядром внешние (валентные) электроны атомов, поэтому для удаления из атома валентного электрона нужно затратить меньшую работу, чем для любого другого электрона. Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации. Потенциалом ионизации называется та разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации . Если Аi выражено в электронвольтах, a  - в вольтах, то  численно равно Аi. Ионизация газов может происходить под влиянием различных внешних воздействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей,  - лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировке молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Под действием внешнего электрического поля электроны и ионы ионизации начинают двигаться, и возникает электрический ток. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Различают в основном два вида газового разряда: самостоятельный и несамостоятельный. 195

19.2. Несамостоятельный газовый разряд 195

19.3. Самостоятельный газовый разряд 196