пособие по физике формат pdf / Аннотация

Филиал Омского Государственного педагогического университета в г. Таре

В. Д. Червенчук

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ «ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ»

Рекомендовано: методической комиссией математического факультета

Омск – 2013

1

Печатается по решению редакционно-издательского сектора филиала ОмГПУ в г. Таре.

УДК 530.1 ББК 22.12

Чер45

Червенчук В. Д. Учебное пособие по физике для студентов направления «Педагогическое образование»: Учебное пособие / В. Д. Червенчук. – Омск: Полиграфический центр КАН, 2013. 252 с., ил.

Кратко излагаются основы теоретической физики по курсу «Физика» для студентов направления: Педагогическое образование (профили: Информатика и информационные технологии в образовании, Математическое образование).

Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения в педагогических вузах. Оно может быть рекомендовано в качестве вспомогательного учебного материала для студентов технических вузов и классических университетов.

Излагаемый материал написан на основе лекционного курса «Физика», читаемого автором в течение многих лет. Работа выполнена на кафедре математики и экономики и одобрена редакционно-издательским советом филиала Омского государственного педагогического университета в городе Таре.

Рецензенты:

К.ф.-м.н., профессор кафедры физики Омского Государственного технического университета В. И. Суриков; д.ф.-м.н., профессор, зав. лаб. математического моделирования в

механике Омского филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН А.И. Задорин.

	© Червенчук В.Д.
ISBN	© Филиал ОмГПУ в г. Таре, 2013.

2

Оглавление

Предисловие………………………………………………………... 6

Введение. От метафизики к физике Ньютона ……………............ 7 Глава 1. Классическая механика………………………………… 10

§1.1. Кинематика материальной точки……………………………	10
§1.2. Прямолинейное движение…………………………………...	11
§1.3. Свободное падение тел………………………………………	13
§1.4. Нормальное и тангенциальное ускорения…………………..	14
§1.5. Относительность движения. Преобразования Галилея……	17
§1.6. Динамика. Первый закон Ньютона………………………….	18
§1.7. Второй и третий законы Ньютона. Условия равновесия ….	19
§1.8. Силы упругости. Силы трения………………………………	21
§1.9. Закон всемирного тяготения. Земное притяжение и вес…..	23
§1.10. Невесомость. Первая космическая скорость………….……	24
§1.11. Закон сохранения импульса. Реактивное движение……….	26
§1.12. Механическая работа. Мощность. Энергия………………..	27
§1.13. Поступательное и вращательное движение твёрдых тел.
Кинематика вращательного движения…………………….	31
§1.14. Основное уравнение динамики вращательного
движения…………………………………………………….	34
§1.15. Момент импульса тела………………………………………	37
§1.16. Кинетическая энергия вращающегося тела………………	38
§1.17. Гармонические колебания…………………………………	39
§1.18. Пружинный, математический и физический маятники…	42
§1.19. Энергия гармонического осциллятора…………………….	44
§1.20. Свободные затухающие колебания…………………………	46
§1.21. Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания……	47
§1.22. Механические волны в упругих средах……………………	48
§1.23. Звуковые волны……………………………………………..	50
§1.24. Давление. Закон Паскаля для жидкостей и газов…………	51
§1.25. Архимедова сила. Надводное и подводное плавание ……	53
§1.26. Движение жидкости по трубам………………….…………	55
Глава 2. Молекулярная физика и термодинамика……………..	58
§2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории.	58
§2.2. Макропараметры идеального газа. Основное уравнение
МКТ для идеального газа……………………………...……	59
§2.3. Уравнение состояния идеального газа ……………….…..	61
§2.4. Термодинамические процессы в идеальном газе…………	63
§2.5. Уравнение Ван-дер-Ваальса ……………………….………	65
§2.6. Распределения Максвелла-Больцмана ……………..……..	69
3

§2.7.	Число степеней свободы молекулы ………….……………	71
§2.8.	Явления переноса (диффузия, вязкость,
	теплопроводность)…………………………………………..	74
§2.9. Основные понятия термодинамики ………………………		76
§2.10. Функции процесса и состояния ……………………………		78
§2.11. Первое начало термодинамики ……………………………		82
§2.12. Теплоёмкость……………………………………………….		83
§2.13. Соотношения между параметрами системы в зависимости
	от вида термодинамического процесса……………………	85
§2.14. Изоэнтропный (адиабатный) процесс в идеальном газе…		88
§2.15. Политропный процесс………………………………………		91
§2.16. Термический КПД и обратные циклы……………………..		93
§2.17. Цикл Карно………………………………………………….		95
§2.18. Обратимые и необратимые процессы………………………		97
§2.19. Второе начало термодинамики……………………………..		98
§2.20. Третье начало термодинамики……………………………...		101
§2.21. Необратимые термодинамические процессы……………...		102
Глава 3. Электростатика…………………………………………..		105
§3.1 Закон Кулона. Напряженность электрического поля ………		105
§3.2. Работа силы по перемещению заряда в электростатическом
	поле. Потенциал электрического поля……………………	110

§3.3 Теорема Остроградского-Гаусса ……………….…………… 112

§3.4. Проводники и диэлектрики в электрическом поле ………..	115
§3.5. Электроёмкость. Электроёмкость плоского конденсатора
при параллельном и последовательном соединении…….	117
§3.6. Энергия заряженного конденсатора и проводника.
Объёмная плотность энергии электрического поля……….	120
Глава 4. Электродинамика…………………………………………	122
§4.1. Электрический ток. Электродвижущая сила………………	122
§4.2. Закон Ома. Закон Джоуля-Ленца. Правила Кирхгофа ……	123
§4.3. Электролиты. Законы электролиза …………………………	128
§4.4. Электрический ток в газах. Ионизация. Газовые разряды.
Понятие плазмы……………………………………………… 130
§4.5. Электрический ток в вакууме ………………………………	132
§4.6. Полупроводники …………………………………………….	134
§4.7. Первые сведения о магнетизме……………………………..	138
§4.8. Открытие Эрстеда, Закон Ампера. Сила Лоренца …………	140
§4.9. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитная индукция
проводников разной формы…………………………………. 142
§4.10. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Энергия
магнитного поля……………………………………………...	145
4

§4.11. Магнитная проницаемость. Ферромагнетики. Петля
гистерезиса. Парамагнетики и диамагнетики……………	148
§4.12. Переменный электрический ток. Генератор переменного
тока. Трансформатор ………………………………………	151
§4.13. Активное, индуктивное, емкостное сопротивление.
Мощность и векторные диаграммы переменного тока …	155
§4.14. Колебательный контур………………………………………	158
§4.15. Вынужденные электрические колебания………………….	163
§4.16. Электромагнитные волны. Радиоволны……………………	165
§4.17. Уравнения Максвелла………………………………………	170

Глава 5. Волновая оптика………………………………………… 175

§5.1. Электромагнитная природа света. Поляризация света…….	175
§5.2. Энергетические характеристики электромагнитной волны.
Характеристики света, воспринимаемые глазом………….	179
§5.3. Интерференция света …………………………………..……	183
§5.4. Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля.
Дифракция Фраунгофера. Дифракционные решётки………	188
§5.5. Прямолинейное распространение света……………………	194
§5.6. Линзы. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы…	197
§5.7. О конечности скорости света. Дисперсия.
Шкала электромагнитных волн …………………………….. 200
§5.8. Тепловое излучение. Закон Стефана-Больцмана …………..	202
§5.9. Фотоэффект. Корпускулярно-волновой дуализм.
Уравнение Шрёдингера……………………………………………	205
Глава 6. Элементы атомной и ядерной физики…………………	210
§6.1. Волны де Бройля или волны материальных частиц ………	210
§6.2. Строение атома. Постулаты Бора. Спектр атома водорода.	212
§6.3. Непрерывные и линейчатые спектры. Элементы квантовой
теории строения атома………………………………………. 217
§6.4. Атомное ядро. Ядерные силы. Ядерные реакции…………	223
§6.5. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Методы регистрации
радиоактивности…………………….………………………	225
§6.6. Цепная реакция деления ядер урана ……….………………	229
§6.7. Ядерные реакции синтеза……………………………………	232
§6.8. Элементарные частицы …………………………………….	234

§6.9. Фундаментальные взаимодействия ………………………… 236

§6.10. Радиационная защита от ионизирующих излучений ……..	238
Заключение…………………………………………………………	240
Список литературы……………………………………………….	240
Приложение. Единицы измерения физических величин в СИ….	242

5

Предисловие

Вучебных планах подготовки дипломированных бакалавров по направлению 050100.62 (Педагогическое образование) значится учебная дисциплина «Физика». Целью её изучения является развитие физического мышления у студентов, для которых физика, вообще говоря, не является профильной дисциплиной. Однако овладение способностями к физическому мышлению, которое, несомненно, существенно повышает общую культуру мышления, позволит студентам успешно изучать все другие дисциплины, предусмотренные программой обучения данного направления.

Физика для будущих педагогов информатики и математики является ещё и хорошим подспорьем изучения и закрепления математических знаний и методов математического моделирования при решении практических задач. Широкое использование этих математических методов в изложении курса «Физика» позволяет значительно повысить эффективность обучения и уровень математического образования студентов.

Эти соображения явились лейтмотивом написания данного пособия. В нём предельно просто, как и в [1, 2], объяснены фундаментальные законы природы и их следствия, но так, чтобы дать ясное понимание физической картины мира на уровне последних достижений теоретической физики.

Вглаве 1 излагается механика Ньютона. Эти начальные знания необходимы для изучения всех последующих разделов физики.

Вглаве 2 представлено краткое изложение молекулярной физики и термодинамики с элементами статистической физики.

Вглаве 3 рассматривается электростатика.

Вглаве 4 изложены основы электродинамики. Рассмотрены взаимодействия движущихся электрических зарядов и явления магнетизма, взаимодействие электрических и магнитных полей, электромагнитные явления, необходимые для изучения волновой оптики.

Вглаве 5 излагаются элементы волновой и геометрической оптики, принцип дуализма, волновая функция Шрёдингера.

И, наконец, в главе 6 представлены элементы атомной и ядерной физики.

Вприложении даны единицы измерения в СИ всех, используемых в пособии физических величин. Учебное пособие иллюстрировано рисунками и в конце каждого параграфа имеет вопросы для самоконтроля.

6

Введение. От метафизики к физике Ньютона

«Был этот мир кромешной тьмой окутан.

– Да будет свет! – И вот явился Ньютон!»

(A. Pope, 1688—1744)

Физика (от др.-греч.

природа) область естествознания,

наука о материи, её свойствах и движении. Она изучает наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Физика является одной из наиболее древних научных дисциплин, и первые дошедшие до нас работы восходят к временам глубокой древности.

Астрономия была первой из естественных наук, с которой началось развитие естествознания. Ф. Энгельс в «Диалектике природы» набросал схему развития естествознания, согласно которой сначала возникла астрономия из наблюдения смены дня и ночи, времен года и потому абсолютно необходимая для пастушеских и земледельческих народов. Для развития астрономии нужна была математика, а строительная практика стимулировала развитие механики.

По мере накопления фактов в процессе их обобщения возникали разного рода теории. Средств для проверки теорий и выяснения вопроса, какая из них верна, в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных явлениях. Единственная физическая величина, которую умели тогда достаточно точно измерять, – длина. Позже к ней добавился угол. Эталоном времени служили сутки.

Преобладала геоцентрическая система мира, хотя пифагорейцы развивали и пироцентрическую, в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня. Впрочем, отдельные пифагорейцы (Аристарх Самосский и др.) разрабатывали гелиоцентрическую систему задолго до Коперника. У них возникло впервые и понятие эфира как всеобщего заполнителя пустоты.

Первую формулировку закона сохранения материи предложил Эмпедокл в V веке до н. э.: «Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться».

Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Аристотель и другие. Сам термин «Физика» возник как название одного из сочинений Аристотеля. По его мнению, предметом этой науки было выяснение первопричин явлений: «ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины, первые начала и

7

разлагаем её впредь до элементов, то ясно, что и в науке о природе надо определить, прежде всего, то, что относится к началам».

Такой подход долго (фактически до Ньютона) отдавал приоритет метафизическим фантазиям перед опытным исследованием. В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение тела поддерживается приложенной к нему силой, и при её отсутствии тело остановится (по Ньютону, тело сохраняет свою скорость, а действующая сила меняет её значение и/или направление).

Первым, кто осмелился усомниться в правоте аристотелианцев, был Коперник. Он был высмеян и объявлен неучем, но не Церковью, а гуманистами, которых все у нас считают светочами прогресса. Аристотелианцы его преследовали за «антинаучность». Но очень скоро в среде учёных появились приверженцы открытия Коперника. Первоначально к работам Галилео Галилея Церковь тоже отнеслась положительно и доброжелательно.

Галилей заложил основы современной механики, на основе идеи об относительности движения сформулировал принцип относительности. Не имея научных аргументов в споре с ним, правящее научное сообщество прибегло к подлогу – с помощью интриг, подтасовок и произвольного толкования Библии ему удалось настроить против Галилея католическую церковь, спровоцировало её на выступление против научных открытий Галилея. Тем самым «гуманисты» нанесли удар не только науке, но и католическому вероучению.

Предшественник Ньютона Рене Декарт считал пространство материальным, а причиной движения – вихри материи, возникающие, чтобы заполнить пустоту (которую считал невозможной и поэтому не признавал атомов), или от вращения тел. В «Диоптрике» Декарт впервые дал правильный закон преломления света. В 1644 году вышла книга Декарта «Начала философии». В ней провозглашается, что изменение состояния материи возможно только при воздействии на неё другой материи. Это исключает возможность дальнодействия. К заслугам Декарта следует отнести более чёткую формулировку закона инерции Галилео Галилея, второго закона взаимодействия (закон сохранения количества движения тоже приводится, однако обесценивается тем, что чёткое определение количества движения у Декарта отсутствует). Декарт предпринял первую попытку механически описать происхождение и движение планетной системы. Однако, полагаясь на чистую дедукцию и пренебрегая экспериментальными исследованиями, эта его попытка не удалась, и на смену метафизике Декарта приходит физика Ньютона.

8

Физические концепции Ньютона находились в резком противоречии с декартовскими. Ньютон верил в атомы, считал дедукцию вторичным методом, которому должны предшествовать эксперимент и конструирование математических моделей. Ньютон заложил основы механики, оптики, теории тяготения, небесной механики, открыл и далеко продвинул математический анализ. Но его теория тяготения, в которой притяжение существовало без материального носителя и без механического объяснения, долгое время отвергалась учёными континентальной Европы (в том числе Гюйгенсом, Эйлером и др.). Только во второй половине XVIII века, после работ Клеро по теории движения Луны и кометы Галлея, эта критика утихла.

Механика Ньютона сыграла решающую роль в дальнейшем развитии физики (молекулярной и статистической физики, термодинамики, электродинамики и магнетизма). Картезианство (от Картезий (Cartesius) – латинизированного имени Декарта), не подтверждаемое опытом, быстро потеряло своих сторонников. Даже в XIX веке в первичности этой механики не сомневался Гельмгольц: «конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, то есть слияние этих наук с механикой».

Ньютон по существу завершил создание физической теории, которая полностью объяснила суть наблюдаемых явлений. Все эти явления объясняются законами природы, которые были открыты им и до него. Всё сразу стало очень простым и ясным. Человек, опираясь на эти знания, легко сумел найти решения многих технических задач.

Это привело к научно-технической революции, к небывалому росту производительных сил. Все те достижения, начиная от изобретения первого теплового двигателя, электрификации и кончая расщеплением атомного ядра, созданием квантовой механики и выходом человека в космическое пространство – всё это получено на основе классической физики Ньютона.

И лишь в ХХ веке при изучении явлений микромира и природы света мировое сообщество физиков-теоретиков поставило под сомнение вопрос о возможности сведения наблюдаемых там явлений к движениям ньютоновской механики. Квантовая механика и физика элементарных частиц имеет уже иные представления о первопричине изучаемых там явлений. Однако, для того, чтобы судить, насколько эти сомнения обоснованы, необходимо, как минимум, знать и понимать физику Ньютона.

9