Fizika - V. F. Dmitriyeva

В. Ф. Дмитрієва

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів /-// рівнів акредитації

Київ

"Техніка"

2008

	ББК 22.3я 723	Гриф надано Міністерством
	Д 53	освіти і науки України,
		лист №/.4/18-Г-1248 від 01.12 2006р.
	УДК 53(07)

Видано за рахунок державних коштів. Продаж• заборонено

Ре ц е н з е н т и: М. В. Головко, канд. пед, наук; І. Т. Горбачук, канд. фіз.-мат, наук;

Т.М. Вечера; О. І. Бабинюк

Навчальний посібник містить матеріал в обсязі курсу фізики, що вивчається студентами вищих навчальних закладів МІ рівнів акредитації, а також розбір і розв'язування типових задач. Задачі є розвиванням і доповненням основного тексту. В кінці кожної глави подано короткі висновки та запитання для самоконтролю і повторення.

І8ВМ 966-575-186-7

© Дмитріева В. Ф., 2007

ПЕРЕДМОВА

Сучасна фізика має фундаментальне значення для теорії пізнання, формування наукового світогляду, розуміння будови і властивостей навколишнього світу.

Фізика глибоко впливає на розвиток інших наук і різних галузей техніки. Завдання економічного і соціального розвитку мають розв'язувати люди, озброєні сучасними знаннями, тому у відповідних розділах і гемах курсу наведно завдання і перспективи розвитку науки і техніки.

У посібнику роз'яснюється зміст фізичних законів, понять і явищ, які розкривають фізичну картину світу в усій його різноманітності. При викладі матеріалу розглянуто основні етапи складного історичного розвитку сучасної фізики.

Наприкінці кожної глави наведено короткі висновки з викладеного матеріалу, запитання для самоконтролю і повторення. Поряд з теоретичним матеріалом у книзі подано задачі з розв'язаннями та для самостійної роботи, що дає можливість уникнуги формального засвоєння навчального матеріалу і навчити застосовувати його для розв'язання практичних завдань. Щоб полегшити роботу з посібником, матеріал параграфів там, де це доцільно, поділено на невеликі частини.

ВСТУП

Фізика - наука про природу

Най видатніший учений стародавніх часів Арістотель (384-322 рр, до н. е.) у зміст слова "фізика" (від грец. - природа) вкладав усю сукупність відомостей про природу, все, що було відомо про земні і небесні явища. В російську мову термін "фізика" запровадив великий учений-енциклопе- дист, основоположник матеріалістичної філософії в Росії М. В. Ломоносов (1711-1765).

Довгий час фізику називали натуральною філософією (філософією природи), і вона фактично зливалася з природознавством. З нагромадженням експериментального матеріалу, його науковим узагальненням і розвитком методів дослідження з натуральної філософії як загального вчення про природу виділились астрономія, хімія, фізика, біологія та інші науки. З цього випливає, що різку межу між фізикою та іншими природничими науками встановити дуже важко, і цим зумовлений органічний зв'язок фізики з іншими природничими науками.

Процес тривалого вивчення явищ природи спонукав учених до ідеї про матеріальність навколишнього світу. Матерія включає в себе все, що оточує нас, і нас самих. Вчення про будову матерії - одне з центральних у фізиці. Воно охоплює два відомі фізиці види матерії: речовину і

*

поле . Усяка зміна, що відбувається в навколишньому світі, є рухом матерії. Рух - це форма існування матерії.

Усі матеріальні об'єкти (тіла) не залишаються незмінними. З часом змінюються їх взаємне положення, форма, розміри, агрегатний стан, фізичні і хімічні властивості і т. д.

Рух об'єднує в собі всі зміни і процеси, які відбуваються у Всесвіті, починаючи з простого переміщення і закінчуючи мисленням. Фізика вивчає найзагальніші форми руху матерії та їх взаємні перетворення, такі, як механічна, молекулярно-теплова, електромагнітна, атомна і ядерна. Такий поділ на форми руху умовний, проте фізика в процесі вивчення звичайно має саме такі розділи.

Матерія існує у просторі і в часі.

Простір визначає взаємне розміщення об'єктів (які одночасно існують) один відносно одного і їх відносну величину (відстань і орієнтацію).

Відомо, що матерія існує не тільки у вигляді фізичних тіл, а й у вигляді полів, наприклад електромагнітного, гравітаційного.

4

Усі явища природи відбуваються в певній>Ьослідовності і мають скінченну тривалість. Час визначає послідовність явищ природи і їх відносну тривалість. Отже, простір і час не існують самі собою, у відриві від матерії, і матерія не існує поза простором і часом.

Загальною мірою різних форм руху матерії є енергія. Якісно різні фі- ІМЧНІ форми руху матерії здатні перетворюватись одні в одних, але саму ма терію не можна знищити і створити. До такого висновку дійшли ще античні філософи-матеріалісти. Отже,

фізика - наука, яка вивчає найпростіші і водночас найзагальніші закономірності явищ природи, властивості і будову матерії та закони її руху.

Фізика - основа природознавства. Вона належить до точних наук і вивчає кількісні закономірності явищ. Фізика - наука експериментальна, її закони базуються на фактах, встановлених дослідним шляхом. Факти запишаються, а їх пояснення іноді змінюється з історичним розвитком науки, в процесі дедалі глибшого розуміння основних законів природи.

Поняття про фізичну картину світу

З нагромадженням експериментальних даних поступово вимальовувалась і формувалась велична і складна картина навколишнього світу в цілому.

Наукові пошуки і дослідження, проведені протягом багатьох століть, дали можливість І. Ньютону (1643 - 1727) відкрити і сформулювати фундаментальні закони механіки - науки про механічний рух матеріальних тіл і взаємодії між ними, які при цьому відбуваються. На той час закони Ньютона були такими всеосяжними, що лягли в основу побудови так званої механічної картини світу, за якою всі тіла мають складатися з абсолютно твердих частинок, що перебувають у безперервному русі. Тіла взаємодіють між собою за допомогою сил тяжіння (гравітаційних сил). Усе розмаїття навколишнього світу, за Ньютоном, полягало у відмінності руху частинок.

Механічна картина світу панувала доти, поки Дж. Максвелл (1873) не сформулював рівняння, які описують основні закономірності електромагнітній явищ. Ці закономірності не можна було пояснити з точки зору механіки Ньютона. На відміну від класичної механіки, де припускається, що тіла взаємодіють миттю (теорія далекодії), теорія Максвелла твердила, що взаємодія відбувається із скінченною швидкістю, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі, за допомогою електромагнітного поля (теорія близькодії). Створення спеціальної теорії відносності - нового вчення про простір і час - дало можливість повністю обґрунтувати електромагнітну теорію.

До складу всіх без винятку атомів входять електрично заряджені частинки. За допомогою електромагнітної теорії можна пояснити природу

5

сил, які діють усередині атомів, молекул і макроскопічних тіл. Це положення покладено в основу створення електромагнітної картини світу, за якою всі явища, що відбуваються в навколишньому світі, намагалися пояснити за допомогою законів електродинаміки. Проте пояснити будову і рух матерії тільки електромагнітними взаємодіями не вдалося.

Дальший розвиток фізики показав, що, крім гравітаційної і електромагнітної, є й інші типи взаємодій. Перша половина XX ст. позначилась інтенсивними дослідженнями будови електронних оболонок атомів і тих закономірностей, які керують рухом електронів у атомі. Це спричинило виникнення нової галузі фізики - квантової механіки. У квантовій механіці використано поняття дуалізму: рухома матерія є водночас і речовиною, і полем, тобто має одночасно корпускулярні і хвильові властивості. У класичній фізиці матерія - завжди або сукупність частинок, або потік хвиль.

Розвиток ядерної фізики, відкриття елементарних частинок, дослідження їхніх властивостей і взаємоперетворень зумовили встановлення ще двох типів взаємодій, які назвали сильними і слабкими. О т е , сучасною фізичною картиною світу передбачено чотири типи взаємодії: сильна (ядерна), електромагнітна, слабка і гравітаційна. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Слабка взаємодія проявляється в основному під час розпаду елементарних частинок. Отже, вчення про будову матерії тепер є атомістичним, квантовим, релятивістським. У ньому застосовують статистичні уявлення.

Фізика і техніка

Техніка - вся сукупність засобів і пристроїв, створених людиною, яка сприяє вищій продуктивності праці, - ґрунтується на науці.

Техніка спирається на фундаментальні відкриття всіх наук, зокрема природознавства. Коли фізики відкривали яке-небудь явище і могли керувати ним, відразу ж з'являлися спеціалісти, які мали на практиці застосовувати набугі відомості. Так виникли окремі галузі техніки (тепло, електро- і радіотехніка, електроніка, ядерна техніка тощо).

Найбурхливіший прогрес техніки, пов'язаний з розвитком фізики, відбувається з кінця XVIII ст., коли на алтайських заводах геніальний російський механік І.І. ГІолзунов (1728-і 766) збудував пароатмосферну машину безперервної дії. Універсальний паровий двигун створив англійський винахідник Дж. Уатт (1736-1819). Парові машини працювали на багатьох заводах і фабриках, надавали руху колесам пароплавів, створювались перші паровози. Настала епоха пари. З фізики виділилась нова наука - термодинаміка.

Кінець XIX і початок XX ст. були ознаменовані безліччю відкриттів у галузі вивчення електромагнітних явищ. Велике значення для розвитку техніки мало відкриття італійськими вченими Л. Гальвані (1737-1798) і

6

А Вольтою (1745-1827) електричного струму і створення гальванічних батарей. В. В. Петров (1761-1834) відкрив і дослідив електричну дугу. У 1889 р. німецький фізик Г. Р. Герц (1857-1894) експериментально виявив електромагнітні хвилі, а в 1895 р. О. С. Попов (1859-1906) вперше використав електромагнітні хвилі для бездротового зв'язку. Настав час електрики. З фізики виділились електро- і радіотехніка, інші науки.

З другої чверті XX ст. відбувається дальше революційне перетворення фізики, пов'язане з пізнанням структури атомного ядра і процесів, які відбуваються в ньому. Важливим результатом цього етапу було відкриття поділу атомного ядра. У 1939 - 1945 рр. уперше вивільнено ядерну енергію за допомогою ланцюгової реакції поділу 235ІХ У 1954 р. в СРСР почала діяти перша атомна електростанція (м. Обнінськ). У 1952 р. здійснено реакцію термоядерного синтезу. Створено атомні криголами і підводні човни, дають струм атомні електростанції. Тому XX ст. називають атомним, але це століття називають і космічним.

Під керівництвом С. П. Корольова (1907-1966) 4 жовтня 1957 р. в колишньому СРСР було виведено на орбіту перший штучний супутник Землі, а 12 квітня 1961 р. Ю. О. Гагарін на кораблі "Восток" здійснив перший у світі космічний політ. Почалася епоха освоєння космосу, людина вийшла за межі Землі.

Теорії і методи фізики значною мірою використовують в астрономії, хімії, біології, геології та інших природничих науках. Теорія відносності і квантова механіка пояснили ряд явищ у Всесвіті. Метод мічених атомів застосовують для вивчення хімічних реакцій. Молекулярна і атомна фізика входять до різних галузей біологічної науки. Досягнення фізики широко використовують у радіоелектроніці, ядерній енергетиці, ракетній і напівпровідниковій техніці, автоматиці і телемеханіці, обчислювальній і кон- і рол ьно-вимірювальній техніці.

Фізичні поняття - найпростіші та водночас основоположні і загальні в природознавстві (простір, час, рух, маса, робота, енергія тощо). Фізичні закони (такі, наприклад, як закони збереження енергії), висновки, наслідки з фізичних теорій мають глибокий філософський зміст.

Одиниці фізичних величин

Одиницю будь-якої фізичної величини, взагалі кажучи, можна встановити довільно. Але якщо одиниці всіх фізичних величин установити незалежно одну від одної, то до формул, які пов'язують різні фізичні величини, треба вводити багато перевідних коефіцієнтів, що ускладнить як самі формули, так і обчислення. К. Гаусе показав, що для побудови системи одиниць фізичних величин досить узяти кілька незалежних одна

7

від одної одиниць. Ці одиниці називають основними. Одиниці фізичних величин, які визначають, користуючись рівняннями, за допомогою основних одиниць, називають похідними.

Сукупність основних і похідних одиниць називають системою одиниць.

При виборі основних одиниць треба враховувати таке.

1. Визначення основних теоретичних одиниць мають охоплювати фізичний зміст кожної з них, не допускаючи різних тлумачень.

2. Основні теоретичні одиниці мають бути встановлені так, щоб можна було з великою точністю виготовити еталони і взірцеві практичні міри.

Залежно від тог о, які фізичні величини взято за основні і які одиниці встановлено для їх вимірювання, можна утворити ті чи інші системи одиниць.

Багато держав, виходячи з одиниць, які історично склалися в них, створили свої системи одиниць, що призвело до серйозних утруднень у міжнародній торгівлі, обміні новинами в галузі науки і техніки.

Питання про створення універсальної системи одиниць обговорювалось на IX (1948), X (1954), XI (жовтень 1960) Генеральних конференціях з мір і ваги (ГКМВ). На XI ГКМВ було прийнято рішення про встановлення для міжнародних зносин практичної системи одиниць, яка дістала скорочене міжнародне найменування 81, в російській транскрипції СИ, в українській - СІ. Цю систему було уточнено на наступних ХИ-ХУ ГКМВ.

Міжнародна система одиниць складається з 7 основних одиниць, 2 додаткових і великої кількості похідних одиниць.

За основні взято такі одиниці.

Метр - довжина шляху, що проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 с. Кілограм - одиниця маси - дорівнює масі міжнародного прототипу

кілограма.

Секунда - час, який дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Ампер - сила незмінюваного струму, який при проходженні по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини і дуже малої площі поперечного перерізу, розміщених у вакуумі на відстані 1 м один від одного, спричинив би на кожній ділянці провідника 1 м завдовжки силу взаємодії, яка дорівнює 2-10~7 Н.

Кельвін - одиниця температури, яка дорівнює 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води.

Моль - кількість речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0,012 кг.

Кандела - сила світла, що випромінюється з поверхні площею 1/600 000 м повного випромінювання у перпендикулярному напряліку при температурі випромінення, яка дорівнює температурі твердіння платини при тиску 101 325 Па.

8

МШІ/КІІІІКИ і приставки СІ для утворення десяткових І ДОЛЬНИХ ОДИНИЦЬ

ЛІ ііожннк	Приставка	Позначення приставки	Множник	Приставка	Позначення приставки
І()1К	скса	Е	10-'	деци	д
ІО13	пета	П	1(Г2	санти	с
ІО12	тера	Т	10 3	мілі	м
10"	гіга	г	106	мікро	мк
І о6	мега	М	10 9	нано	Н
10'	кіло	к	ю-'2	гііко	п
102	гекто	г	10"15	фемто	ф
10і	дека	да	10ій	агго	а

Для утворення похідних одиниць з основних використовують визначальні рівняння зв'язку між величинами. Вважають, що числові коефіцієніі! в них дорівнюють 1, а величини виражають в основних одиницях СІ. Деякі похідні одиниці, що дістали спеціальні назви, можна використати дня утворення інших похідних одиниць СІ. Скорочені позначення одиниць., названих на честь учених, пишуть з великої букви.

Спеціальні найменування, присвоєні ГКМВ, обов'язкові для застосування. Так, для роботи та енергії треба застосовувати одиницю джоуль (Дж), а не ньютон-метр (Н * м), хоч 1 Н • м = 1 Дж.

Вимірювання фізичних величин

Фізика - дослідна наука, тому вміння спостерігати фізичні процеси і вимірювати різні фізичні величини набуває особливого значення.

Усі зміни, які відбуваються під час фізичних явищ, оцінюють кількісно за допомогою вимірювань.

Виміряти величину - означає порівняти її з однорідною величиною, яку умовно взято за одиницю вимірювання.

Основним завданням фізичного досліду є визначення числових значені, фізичних величин і встановлення кількісних залежностей між ними. Процес виконання досліду складається з вимірювань величин і обробки результатів вимірювання. Вимірювання класифікують за ознаками.

/. Прямі вимірювання, під час яких числове значення вимірюваної величини дістають або безпосереднім порівнянням з мірою (наприклад, довчений, маси), або за допомогою приладів, градуйованих в одиницях вимі-

рюваної величини (наприклад,	сила	струму,	освітленість).
2. Непрямі вимірювання,	під	час яких	визначають деякі величини,

ш язані певною закономірністю з вимірюваною величиною, і за ними обчислюють вимірювану величину. Наприклад, для визначення швидкості вимірюють шлях 5 і час і проходження цього шляху, потім обчислюють

ШВИДКІСТЬ V = З/1.

9