С.С. Авотін

Харків – 2015

Міністерство аграрної політики та продовольства України

Харківський національний аграрний університет

імені. В. В. Докучаєва

Фізика Навчальний посібник

Харків – 2015

УДК 53(075.8) Рекомендовано до друку радою факультету

ББК В3Я 7 інженерів землевпорядкування Харківського

Р 11 національного аграрного університету

ім. В.В. Докучаєва (протокол №

від жовтня 2015 р.)

Рецензенти: д-р фіз.-мат. наук, професор ХНУ ім.В. Н. Каразіна О. Г. Андерс,

д-р пед. наук, професор ХНАУ В.М. Олексенко

Відповідальний за випуск канд. фіз.-мат. наук, проф. С.С. Авотін

Авотін С.С.

Р11 Фізика : навч. посібник /С. С. Авотін /Харк. нац. аграр. ун-т. –Х., 2015.–296 с.

Посібник містить відомості за розділами фізики: механіка, молекулярна фізика і термодинаміка. Складено згідно з навчальною програмою. Призначено для студентів спеціальності 6.040106 «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування». Посібник може бути використаний студентами 1 і 2 курсів вищих навчальних закладів III і IV рівнів акредитації.

УДК 53(075.8)

ББК В3Я 7

© Авотін С. С., 2015

© Харківський національний аграрний

Університет їм. В.В. Докучаєва, 2015

З м і с т

Вступ 8

1. Кінематика матеріальної точки 10

1.1.Кінематика поступального руху 10

1.2. Кінематика обертального руху 12

1.3. Повне прискорення при криволінійному русі 15

2. Динаміка поступального руху 16

2.1. Закони динаміки матеріальної точки 16

2.2. Імпульс. Закон збереження імпульсу 17

2.3. Центр мас (центр інерції) механічної системи 19

2.4. Робота змінної сили. Потужність 19

2.5. Механічний принцип відносності 21

3. Енергія. Силове потенціальне поле. Сили в механіці 22

3.1. енергія. кінетична енергія 22

3.2. Силове потенціальне поле. Потенціал 22

3.3. Графічне подання енергії 24

3.4. Сили в механіці 25

3.5. Деформація біологічних тканин 30

4. Динаміка обертального руху 31

4.1. Момент сили 31

4.2. Момент інерції 32

4.3. Момент імпульсу 34

4.4. Робота та кінетична енергія при обертальному русі 34

4.5. Основний закон динаміки обертального руху 35

4.6. Вільні осі обертання. Гіроскопи 36

4.7. Статика твердого тіла 36

5. Механічні фактори навколишнього середовища 37

5.1. Тиск. Атмосферний тиск 37

5.2. Вітер. Рух повітряних потоків 39

5.3. Вплив вібрацій на живі організми. Землетруси 41

5.4.Фізичні механізми механорецепції 43

6. Механіки рідин і газових потоків 45

6.1. Потік рідини. Рівняння нерозривності 45

6.2. Тиск в рідині та газі. Рівняння Бернуллі 48

7. Основи молекулярної фізики 49

7.1. Основні положення молекулярно-кінетичної

теорії речовини 50

7.2. Ідеальний газ. Основне рівняння молекулярно-кінетичної

теорії (МКТ) ідеального газу 51

7.3. Ізопроцеси у газах 54

7.4. Рівняння Менделєєва-Клапейрона 56

7.5. Закон Дальтона 56

7.6. Вологість повітря 57

7.7. Органи відчуття. Нюх і смак 57

8. Основи класичної статистики. Явища переносу 60

8.1. Розподіл Максвелла. Швидкості молекул газу 60

8.2. Барометрична формула. Розподіл Больцмана 62

8.3. Середня довжина вільного пробігу молекул газу 63

8.4. Явища переносу 64

9. Реальні гази. Властивості рідини 70

9.1. Реальні гази. Рівняння Ван-дер-Ваальса 70

9.2. Властивості рідини 71

9.3. Рідкі кристали 77

10. Основи термодинаміки 79

10.1. Внутрішня енергія 79

10.2. Робота ідеального газу 80

10.3. Перший закон термодинаміки 83

10.4. Фазові перетворення. Діаграма стану системи 84

10.5. Адіабатичний процес. Рівняння Пуассона 87

10.6. Ефект Джоуля-Томсона 88

10.7. Теплова машина. Другий закон термодинаміки 89

10.8. Ентропія. Статистична інтерпретація ентропії 92

10.9. Вплив теплових факторів на живі організми 95

10.10. Фізичні механізми терморецепції 98

11. Твердий стан речовини 99

12. Механічні властивості біологічних тканин 104

13. Теплові властивості Землі і атмосфери 105

13.1. Тепловий режим атмосфери 105

13.2. Теплові характеристики ґрунту 107

13.3. Теплове забруднення води 108

13.4. Вимірювання температури 109

14. Електростатика 110

14.1. Електричний заряд. Закон Кулона 110

14.2. Електричне поле. Напруженість. Принцип

суперпозиції полів 114

14.3. Провідники і діелектрики у електричному полі 117

14.4. Робота сил електричного поля. Потенціал.

Різниця потенціалів 120

14.5.Біопотенціали рослин 122

14.6. Електроємність. Конденсатори 123

15. Електродинаміка 127

15.1. Постійний електричний струм. Джерела струму 127

15.2. Сила струму. Закон Ома для ділянки кола. 129

15.3. Сполука провідників і джерел струму 133

15.4. Розгалужені кола. Правила Кірхгофа 137

15.5. Робота і потужність постійного струму 138

15.6. Електронна теорія провідності металів 139

15.7. Робота виходу електронів з металу.

Термоелектронні явища 140

15.8. Явище термоелектронної емісії 142

15.9. Електричний струм в електролітах 144

15.10. Мембранний струм 145

15.11.Електричний струм в газах 147

16. Магнітне поле 149

16.1. Взаємодія провідників зі струмом 149

16.2. Магнітне поле струму 150

16.3. Сила Ампера. Вектор магнітної індукції 151

16.4. Рамка зі струмом у магнітному полі 153

16.5. Закон Біо-Савара-Лапласа 154

16.6. Магнітний потік. Поле у речовині. Сила Лоренца 158

16.7. Магнітне поле біологічних об’єктів 164

17. Електромагнітна індукція 166

17.1. Явище електромагнітної індукції 166

17.2. Явище самоіндукції. Індуктивність 168

17.3. Енергія магнітного поля 169

18. Коливання і хвилі 170

18.1. Коливальний рух. Гармонійні коливання 170

18.2. Пружний, математичний і фізичний маятники 172

18.3. Додавання гармонійних коливань 175

18.4. Загасаючи і вимушені коливання. Резонанс 176

19. Акустика. Основи біологічної акустики 179

19.1. Механічні хвилі в пружному середовищі 179

19.2. Звук та його характеристики 182

19.3. Ультразвук та інфразвук 184

19.4. Фізичні механізми акусторецепції 186

19.5. Акустичні фактори навколишнього середовища 189

20. Змінний електричний струм 191

20.1. Одержання змінного електричного струму 191

20.2. Опір у електричному колі змінного струму 192

20.3. Передача і використання електроенергії 194

20.4. Вплив електричного струму на організм людини 196

21. Електромагнітні коливання і хвилі 197

21.1. Вільні коливання в коливальному контурі 197

21.2. Одержання незгасаючих електромагнітних коливань 200

21.3. Електромагнітні хвилі 201

21.4. Випромінювання і прийом електромагнітних хвиль 203

22. Геометрична оптика 206

22.1. Розвиток поглядів на природу світла 206

22.2. Закони відбиття світла 208

22.3. Побудова зображення у сферичних дзеркалах 209

22.4. Закони заломлення світла 211

22.5. Оптичні прилади 212

22.6. Фізіологічна оптика 215

23. Хвильова оптика 219

23.1. Інтерференція світла 219

23.2. Дифракція світла 221

23.3. Дифракція рентгенівських променів 225

23.4. Поняття про голографію 227

23.5. Дисперсія світла 227

23.6. Поглинання світла, Закон Бугера-Ламберта 231

23.7. Поляризація світла 232

23.8. Основні фотометричні величини 236

24. Квантова природа електромагнітного випромінювання 238

24.1. Теплове випромінювання та його характеристики 238

24.2. Закони теплового випромінювання 240

24.3. Квантова гіпотеза і формула Планка 242

24.4. Джерела світла. Оптична пірометрія 243

24.5. Квантова теорія випромінювання Ейнштейна.

Фотоелектричний ефект 244

24.6. Короткохвильова границя гальмового

рентгенівського випромінювання 247

24.7. Ефект Комптона 247

24.8. Квантове та хвильове пояснення тиску світла.

Дуалізм електромагнітного випромінювання 248

25. Атомна фізика 251

25.1. Складна будова атома 251

25.2. Досліди Резерфорда з розсіювання -частинок 251

25.3. Теорія воднеподібного атома за Бором 252

25.4. Гіпотеза де Бройля. Атом у квантовій механіці 254

25.5. Періодична система елементів 258

25.6. Рентгенівські і молекулярні спектри 260

25.7. Спонтанне та вимушене випромінювання. Лазери 264

25.8. Біологічна дія електромагнітного випромінювання 268

26. Елементи зонної теорії твердого тіла 269

26.1. Енергетичні зони в кристалах 269

26.2. Електрична провідність напівпровідників 271

26.3. Транзистор 272

27. Ядерна фізика 274

27.1. Явище радіоактивності 274

27.2. Активність ізотопу 275

27.3. Реєстрація радіоактивних випромінювань 276

27.4. Склад і будова атомного ядра 278

27.5. Ядерні сили. Дефект маси 279

27.6. Ядерні реакції 281

27.7. Дозиметрія радіоактивних випромінювань 283

22.8. Біологічна дія радіоактивного випромінювання 290

Рекомендована література 289

Додаток 290

Фізика – це наука розуміти природу

Е. Роджерс

ВСТУП

Фізика є фундаментальною наукою про природу, про найбільш загальні властивості і будову матерії, закони її руху. Сучасна фізика внесла найбільш радикальні зміни у пізнання природи і розвиток основних науково-технічних винаходів людства. Поняття, закони і методи фізики покладені в основу всіх природничих наук (хімії, біології, біофізики, астрономії) і техніки. Фізика та біофізика (біофізика застосовує фізичні поняття і терміни щодо опису біологічних явищ, а також вивчає дію фізичних факторів навколишнього середовища на живу матерію).

Термін “фізика” походить від грецького слова “physis” – природа. В епоху античної культури наука охоплювала всю сукупність знань про природу. З часом виділились окремі науки, в тому числі і фізика. Фізика – наука експериментальна. Основні методи фізичного пізнання – спостереження, експеримент, гіпотеза, фізична теорія. На основі спостережень і дослідів людина послідовно пізнає різні види і форми матерії, вивчає характер їх руху і, таким чином, відкриває таємниці природних явищ та узагальнює одержані відомості у вигляді законів. Фізика вивчає властивості матерії. Що таке матерія?

Матерія – філософське поняття (категорія) – це все, що реально існує навколо нас. Ми знаємо дві форми матерії: речовина і фізичне поле. Речовина це все, що складається з атомів і молекул (різні предмети, планети, зірки і т.д.). Фізичне поле передає взаємодію між атомами речовини (гравітаційне поле, електромагнітне поле, ядерне поле).

Матерія завжди рухається. Рух сам по собі притаманний матерії. Рух – будь-які зміни в природі. Існують такі види руху: механічний, фізичний, хімічний, біологічний та ін.

При певних умовах матерія переходить з однієї форми в іншу. Спостерігається народження і анігіляція частинок. Пыд час ядерних перетворень частина маси елементарних частинок перетворюється в енергію.

У свій час (більше ста років тому) у фізиці були зроблені великі відкриття, такі як закон збереження імпульсу, закон збереження моменту імпульсу, закон збереження і перетворення енергії, закони термодинаміки. Коли почала розвиватися наука про атоми і ядро, про елементарні частинки, з’явилися дані про зникнення і народження частинок, про наявність ”схованої маси та схованої енергії Всесвіту”.

Матерія

Речовина

Фізичне поле

Матерія завжди

рухається

атоми молекули елементарні частинки різні тіла

простір час

гравітаційне електромагнітне ядерне та ін.

Фізика має спільні об’єкти і методи дослідження з іншими природничими науками, внаслідок чого виникли цілі галузі знань: фізична хімія, хімічна фізика, хімічна термодинаміка, астрофізика, геофізика, біофізика та ін. Основою сучасної фізики є математика.

Математика – це мова фізики. Без математики не можна було створити теорію електромагнітного поля, статистичну теорію, термодинаміку, теорію відносності, квантову механіку тощо.

Фізика має надзвичайно велике загальнонаукове значення як одна із галузей інтелектуальної діяльності людини, що формує сучасне світосприйняття і світорозуміння.

Фізика як наука має такі розділи: механіка, молекулярна фізика і термодинаміка, електрика і магнетизм, хвильова і квантова оптика, атомна і ядерна фізика.

Механіка – розділ фізики, в якому вивчають найпростішу форму руху матерії – механічний рух. Механічний рух – це процес зміни з часом взаємного розташування тіл або їх частин у просторі.

Механіку поділяють на класичну і сучасну. У класичній механіці вважається, що простір абсолютний, однорідний, неперервний та ізотропний, має три вимірювання. Час – абсолютний, однорідний, неперервний. Простір і час не залежать від наявності тіл.

Класична механіка вивчає різні види механічного руху (кінематика), причини руху (динаміка) і умови рівноваги (статика).