Вотинов Г.Н., Перминов А.В. Физика
Подождите немного. Документ загружается.
Ôåäåðàëüíîå àãåíòñòâî ïî îáðàçîâàíèþ
Ãîñóäàðñòâåííîå îáðàçîâàòåëüíîå ó÷ðåæäåíèå
âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ
«Ïåðìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò»
Ã. Í. Âîòèíîâ, À. Â. Ïåðìèíîâ
ÔÈÇÈÊÀ
Óòâåðæäåíî
Ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà
â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ
Ïîä îáùåé ðåäàêöèåé
äîêòîðà òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîðà À. È. Öàïëèíà
Èçäàòåëüñòâî
Ïåðìñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà
2008
ÓÄÊ 53(075.8)
ÁÁÊ 22.3ÿ73
Â79
Ðåöåíçåíòû:
äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð Å. Ë. Òàðóíèí
(Ïåðìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò);
êàíäèäàò ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, äîöåíò Â. Â. Áóðäèí
(Ïåðìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò)
Âîòèíîâ, Ã. Í.
Â79 Ôèçèêà: ó÷åá. ïîñîáèå / Ã. Í. Âîòèíîâ, À. Â. Ïåðìèíîâ; ïîä
îáù. ðåä. À. È. Öàïëèíà.— Ïåðìü: Èçä-âî Ïåðì. ãîñ. òåõí. óí-òà,
2008.— 347 ñ.
ISBN 978-5-398-00037-5
Ïðèâåäåí òåîðåòè÷åñêèé ìàòåðèàë äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî èçó÷åíèÿ ôèçèêè,
âêëþ÷àþùèé â ñåáÿ îñíîâíûå ñâåäåíèÿ èç òåîðèè è âîïðîñû äëÿ ñàìîêîíòðîëÿ.
Ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ çàî÷íîãî îòäåëåíèÿ ãóìàíèòàðíîãî ôàêóëüòåòà,
èçó÷àþùèõ ôèçèêó â îáúåìå äî 200 ÷àñîâ.
ÓÄÊ 53(075.8)
ÁÁÊ 22.3ÿ73
Èçäàíî â ðàìêàõ ïðèîðèòåòíîãî íàöèîíàëüíîãî ïðîåêòà «Îá
-
ðàçîâàíèå» ïî ïðîãðàììå Ïåðìñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷å
-
ñêîãî óíèâåðñèòåòà «Ñîçäàíèå èííîâàöèîííîé ñèñòåìû ôîðìèðî
-
âàíèÿ ïðîôåññèîíàëüíûõ êîìïåòåíöèé êàäðîâ è öåíòðà èííîâàöè
-
îííîãî ðàçâèòèÿ ðåãèîíà íà áàçå ìíîãîïðîôèëüíîãî òåõíè÷åñêîãî
óíèâåðñèòåòà»
ISBN 978-5-398-00037-5 © ÃÎÓ ÂÏÎ «Ïåðìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé
òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò», 2008
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ
ÂÂÅÄÅÍÈÅ ............................................................................................................ 5
×àñòü I. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû ôèçèêè ............................................................... 6
1. Ìåõàíèêà ........................................................................................................ 6
1.1. Êèíåìàòèêà .......................................................................................... 6
1.2. Äèíàìèêà.............................................................................................. 13
1.3. Êîëåáàòåëüíîå äâèæåíèå.................................................................... 32
1.4. Âîëíîâîå äâèæåíèå............................................................................. 50
1.5. Îñíîâû ãèäðîàýðîìåõàíèêè............................................................... 58
1.6. Âîïðîñû äëÿ ñàìîêîíòðîëÿ ................................................................ 61
2. Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà è òåðìîäèíàìèêà .................................................... 64
2.1. Ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ................................................... 64
2.2. Òåðìîäèíàìèêà.................................................................................... 81
2.3. Âîïðîñû äëÿ ñàìîêîíòðîëÿ ................................................................ 98
3. Ýëåêòðîäèíàìèêà........................................................................................... 100
3.1. Ýëåêòðîñòàòèêà.................................................................................... 100
3.2. Ïîñòîÿííûé ýëåêòðè÷åñêèé òîê......................................................... 121
3.3. Ìàãíåòèçì ............................................................................................ 128
3.4. Ýëåêòðîìàãíèòíûå êîëåáàíèÿ è âîëíû............................................. 159
3.5. Âîïðîñû äëÿ ñàìîêîíòðîëÿ ................................................................ 173
4. Îïòèêà............................................................................................................. 176
4.1. Ýëåìåíòû ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè .................................................... 176
4.2. Èíòåðôåðåíöèÿ ñâåòà .......................................................................... 182
4.3. Äèôðàêöèÿ............................................................................................ 194
4.4. Ïîëÿðèçàöèÿ......................................................................................... 203
4.5. Òåïëîâîå èçëó÷åíèå ............................................................................ 208
4.6. Ôîòîýôôåêò.......................................................................................... 213
4.7. Êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîé äóàëèçì .................................................... 217
4.8. Âîïðîñû äëÿ ñàìîêîíòðîëÿ ................................................................ 220
3
5. Îñíîâû àòîìíîé è ÿäåðíîé ôèçèêè............................................................. 222
5.1. Ñòðîåíèå àòîìà.................................................................................... 222
5.2. Âîëíîâûå ñâîéñòâà âåùåñòâà ............................................................. 229
5.3. Àòîìíîå ÿäðî ....................................................................................... 236
5.4. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû....................................................................... 249
5.5. Ýëåìåíòû êîñìîëîãèè......................................................................... 253
5.6. Âîïðîñû äëÿ ñàìîêîíòðîëÿ ................................................................ 255
×àñòü II. Ìàòåðèàëû äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîé ðàáîòû ............................................ 257
1. Ìåòîäèêà ñàìîñòîÿòåëüíîãî èçó÷åíèÿ ôèçèêè .......................................... 257
2. Ìåòîäè÷åñêèå óêàçàíèÿ
ê ðåøåíèþ çàäà÷ ......................................................................................... 259
3. Î ïðèáëèæåííûõ âû÷èñëåíèÿõ.................................................................... 262
4. Ìåõàíèêà. Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà è òåðìîäèíàìèêà ................................. 265
4.1. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ..................................................................... 265
4.2. Òðåíèðîâî÷íûå çàäà÷è........................................................................ 281
5. Ýëåêòðîìàãíåòèçì ......................................................................................... 284
5.1. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ..................................................................... 284
5.2. Òðåíèðîâî÷íûå çàäà÷è........................................................................ 301
6. Îïòèêà. Îñíîâû àòîìíîé è ÿäåðíîé ôèçèêè .............................................. 304
6.1. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ..................................................................... 304
6.2. Òðåíèðîâî÷íûå çàäà÷è........................................................................ 315
7. Êîíòðîëüíàÿ ðàáîòà....................................................................................... 316
8. Òåñò äëÿ ïðîâåðêè çíàíèé............................................................................. 331
Âîïðîñû äëÿ ïîäãîòîâêè ê ýêçàìåíó ................................................................... 336
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû................................................................................................ 340
Ïðèëîæåíèå. Ñïðàâî÷íûå äàííûå è òàáëèöû .................................................... 341
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Ôèçèêà — íàóêà, èçó÷àþùàÿ íàèáîëåå îáùèå çàêîíîìåðíîñòè ÿâëå
-
íèé ïðèðîäû, ñâîéñòâà è ñòðîåíèå ìàòåðèè, è çàêîíû åå äâèæåíèÿ.
Ôèçè÷åñêèå çàêîíû óñòàíàâëèâàþòñÿ íà îñíîâå îáîáùåíèÿ îïûòíûõ
ôàêòîâ è âûðàæàþò çàêîíîìåðíîñòè, ñóùåñòâóþùèå â ïðèðîäå.
Ýòè çàêîíû îáû÷íî ôîðìóëèðóþòñÿ â âèäå êîëè÷åñòâåííûõ ñîîòíî
-
øåíèé ìåæäó ðàçëè÷íûìè ôèçè÷åñêèìè âåëè÷èíàìè.
Äëÿ îáúÿñíåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ïðèâëåêàþòñÿ ãèïîòåçû.
Ãèïîòåçà — íàó÷íîå ïðåäïîëîæåíèå, âûäâèãàåìîå äëÿ îáúÿñíåíèÿ
êàêîãî-ëèáî ôàêòà èëè ÿâëåíèÿ è òðåáóþùåå ïðîâåðêè è äîêàçàòåëüñòâà
äëÿ òîãî, ÷òîáû ñòàòü íàó÷íîé òåîðèåé èëè çàêîíîì.
Ïðàâèëüíîñòü âûñêàçàííîé ãèïîòåçû ïðîâåðÿåòñÿ ïîñòàíîâêîé ñî-
îòâåòñòâóþùèõ îïûòîâ.
Óñïåøíî ïðîøåäøàÿ òàêóþ ïðîâåðêó è äîêàçàííàÿ ãèïîòåçà ïðåâðà-
ùàåòñÿ â íàó÷íóþ òåîðèþ èëè çàêîí.
Ôèçè÷åñêàÿ òåîðèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìó îñíîâíûõ èäåé,
îáîáùàþùèõ îïûòíûå äàííûå è îòðàæàþùèõ çàêîíîìåðíîñòè ÿâëåíèé
ïðèðîäû.
Ôèçè÷åñêàÿ òåîðèÿ äàåò îáúÿñíåíèå öåëîé îáëàñòè ÿâëåíèé ïðèðîäû
ñ åäèíîé òî÷êè çðåíèÿ.
5
×àñòü I
ÒÅÎÐÅÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ ÔÈÇÈÊÈ
1. ÌÅÕÀÍÈÊÀ
Ìåõàíèêà — ðàçäåë ôèçèêè, â êîòîðîì èçó÷àåòñÿ ìåõàíè÷åñêîå
äâèæåíèå.
Ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå — èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ äàííîãî òåëà (èëè
÷àñòåé òåëà) îòíîñèòåëüíî äðóãèõ òåë, ïðîèñõîäÿùåå âî âðåìåíè è ïðî-
ñòðàíñòâå.
1.1. Êèíåìàòèêà
Êèíåìàòèêà — ðàçäåë ìåõàíèêè, â êîòîðîì èçó÷àåòñÿ ìåõàíè÷åñêîå
äâèæåíèå êàê ãåîìåòðè÷åñêîå ïåðåìåùåíèå â ïðîñòðàíñòâå.
Êèíåìàòèêà òî÷êè
Ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà — òåëî, ðàçìåðû êîòîðîãî íåñóùåñòâåííû
(èìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü) â ðàìêàõ êàêîé-ëèáî êîíêðåòíîé çàäà÷è.
Àáñîëþòíî òâåðäîå òåëî — òåëî, ó êîòîðîãî ðàññòîÿíèå ìåæäó ëþ
-
áûìè äâóìÿ åãî òî÷êàìè íåèçìåííî.
Ïîñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå àáñîëþòíî òâåðäîãî òåëà — äâèæåíèå,
ïðè êîòîðîì ëþáàÿ ïðÿìàÿ, íåèçìåííî ñâÿçàííàÿ ñ òåëîì, ïåðåìåùàåòñÿ
ïàðàëëåëüíî ñàìîé ñåáå.
×èñëî ñòåïåíåé ñâîáîäû N — ÷èñëî íåçàâèñèìûõ êîîðäèíàò, ñ ïî
-
ìîùüþ êîòîðûõ ìîæíî çàäàòü ïîëîæåíèå òåëà â ïðîñòðàíñòâå.
Ïðèìåðû:
1) òî÷êà â òðåõìåðíîì ïðîñòðàíñòâå èìååò òðè íåçàâèñèìûõ êîîðäè
-
íàòû: ò. A(x, y, z), ñëåäîâàòåëüíî, N =3;
6
2) äâå æåñòêî ñâÿçàííûå òî÷êè (ãàíòåëü) çàäàþòñÿ øåñòüþ êîîðäèíà
-
òàìè, íî íåçàâèñèìûìè ÿâëÿþòñÿ òîëüêî ïÿòü, ò. ê. íà òî÷êè íàëîæåíà
îäíà ñâÿçü — íåèçìåííîñòü ðàññòîÿíèÿ ìåæäó òî÷êàìè (øåñòóþ êîîðäè
-
íàòó ìîæíî îïðåäåëèòü èç ýòîãî óñëîâèÿ). Òàêèì îáðàçîì, N =6–1=5;
3) òðè æåñòêî ñâÿçàííûå òî÷êè, íå ëåæàùèå íà îäíîé ïðÿìîé. Ðàññó
-
æäàÿ àíàëîãè÷íûì îáðàçîì, ïîëó÷àåì: äåâÿòü êîîðäèíàò è òðè ñâÿçè.
N =9–3=6.Ñèñòåìû ñ áîëüøèì ÷èñëîì òî÷åê èìåþò òàêæå øåñòü ñòå
-
ïåíåé ñâîáîäû, ò. ê. íà òðè êîîðäèíàòû äîáàâëåííîé «æåñòêî çàêðåïëåí
-
íîé» òî÷êè äîñòàòî÷íî òðåõ ñâÿçåé. Òàêèì îáðàçîì, àáñîëþòíî òâåðäîå
òåëî èìååò øåñòü ñòåïåíåé ñâîáîäû.
Äâèæåíèå îòíîñèòåëüíî. Äëÿ îïèñàíèÿ äâèæåíèÿ (â ïðîñòðàíñòâå
è âðåìåíè) ââîäèòñÿ ïîíÿòèå ñèñòåìû îòñ÷åòà, êîòîðîå âêëþ÷àåò â ñå
-
áÿ: 1) òî÷êó îòñ÷åòà;2)ñèñòåìó êîîðäèíàò;3)÷àñû.
Òðàåêòîðèÿ — ëèíèÿ, âäîëü êîòîðîé äâèæåòñÿ òî÷êà.
Ïóòü s — äëèíà òðàåêòîðèè, [s]=ì.
Ñðåäíÿÿ ïóòåâàÿ ñêîðîñòü v
ñð
— îòíîøåíèå ïðîéäåííîãî ïóòè ê çà-
òðà÷åííîìó âðåìåíè:
v
ñð
=
D
D
s
t
,
[]
v =
ì/ñ. (1.1)
Ïîëîæåíèå òåëà â ïðîñòðàíñòâå îïðåäåëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ðàäè-
óñà-âåêòîðà
r
r
ê ýòîé òî÷êå èç íåêîòîðîé íåïîäâèæíîé òî÷êè (ðèñ. 1.1).
Çàêîí äâèæåíèÿ — çàâèñè-
ìîñòü ðàäèóñà-âåêòîðà
r
r
òî÷êè îò
âðåìåíè:
rr
rrt= ()
. (1.2)
Ëþáîé âåêòîð ìîæíî âûðà
-
çèòü ÷åðåç åãî ïðîåêöèè íà êîîðäè
-
íàòíûå îñè è åäèíè÷íûå âåêòîðû
(îðòû) ýòèõ îñåé. Â äåêàðòîâîé
îðòîãîíàëüíîé ñèñòåìå êîîðäèíàò
(ðèñ. 1.2)
r
rr
r
rxi yjzk=++
, ãäå
xxt
yyt
zzt
=
=
=
é
ë
ê
ê
ê
ê
();
();
().
(1.3)
7
Ðèñ. 1.1
Ïåðåìåùåíèå
D
r
r
(ðàäèóñ-âåê
-
òîð ïåðåìåùåíèÿ) — âåêòîð, ïðî
-
âåäåííûé èç íà÷àëüíîé òî÷êè
â êîíå÷íóþ (ñì. ðèñ. 1.1):
DD
rr r
rrt t rt=+-()()
. (1.4)
Ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü ïåðåìåùå
-
íèÿ
r
v
ñð
— îòíîøåíèå ïåðåìåùå
-
íèÿ ê çàòðà÷åííîìó âðåìåíè:
r
r
v
ñð
=
D
D
r
t
. (1.5)
Ñêîðîñòü (ìãíîâåííàÿ)
r
rr
v =º
®
lim
D
D
D
t
r
t
r
t
0
d
d
. (1.6)
Ìîäóëü ñêîðîñòè
||
||
vv== = º
®®
r
r
lim lim
DD
D
D
D
D
tt
r
t
s
t
s
t
00
d
d
. (1.7)
Áûñòðîòà èçìåíåíèÿ ñêîðîñòè ñî âðåìåíåì õàðàêòåðèçóåòñÿ óñêîðå-
íèåì.
Ñðåäíèì óñêîðåíèåì
r
a
ñð
íàçûâàþò îòíîøåíèå èçìåíåíèÿ âåêòîðà
ñêîðîñòè êî âðåìåíè:
r
r
a
t
ñð
=
D
D
v
,
[]
a =
ì/ñ
2
.
Óñêîðåíèå (ìãíîâåííîå)
r
rr
r
a
tt
r
t
t
=º=
®
lim
D
D
D
0
2
2
vvd
d
d
d
. (1.8)
Ñêîðîñòü è óñêîðåíèå ìîæíî ðàçëîæèòü íà ñîñòàâëÿþùèå:
r
rr
r
vv v v=+ +
xyz
ijk
,
r
rr
r
aai ajak
xyz
=+ +
, (1.9)
ãäå êîìïîíåíòû (ïðîåêöèè íà êîîðäèíàòíûå îñè) ýòèõ âåêòîðîâ:
8
Ðèñ. 1.2
v
v
v
x
y
z
x
t
y
t
z
t
=
=
=
é
ë
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
d
d
d
d
d
d
;
;
;
a
t
x
t
a
t
y
t
a
t
z
t
x
x
y
y
z
z
==
==
==
é
ë
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
v
v
v
2
2
2
2
2
2
;
;
.
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
(1.10)
Ìîäóëè ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ â ýòîì ñëó÷àå áóäóò ñëåäóþùèìè:
vvvv=++
xyz
222
;
aaaa
xyz
=++
222
. (1.11)
Ïðè êðèâîëèíåéíîì äâèæåíèè óäîáíî ââåñòè åñòåñòâåííûå îñè,íà
-
ïðàâëåíèÿ êîòîðûõ çàäàþòñÿ åäèíè÷íûìè âåêòîðàìè êàñàòåëüíîé
r
t
è íîðìàëè
r
n
:
rr
t^n
,
|| ||
rr
t ==n 1
.
Âåêòîð
r
t
íàïðàâëåí ïî êàñàòåëüíîé ê òðàåêòîðèè (ðèñ. 1.3) è çàäàåò
íàïðàâëåíèå âåêòîðà ñêîðîñòè, âåêòîð
r
n
íàïðàâëåí ïî íîðìàëè ê òðàåêòî-
ðèè (ê öåíòðó êðèâèçíû).
Âåêòîð ñêîðîñòè ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå
r
r
vv= t
, (1.12)
ãäå
||
vv=
r
.  ýòîì ñëó÷àå óñêîðåíèå ìîæíî ðàç-
ëîæèòü íà äâå ñîñòàâëÿþùèå:
rr rrr
aa ana a
nn
=+=+
tt
t
. (1.13)
Êàñàòåëüíûì (òàíãåíöèàëüíûì) óñêîðå
-
íèåì
r
a
t
íàçûâàåòñÿ ñîñòàâëÿþùàÿ óñêîðåíèÿ, îáóñëîâëåííàÿ èçìåíåíè
-
åì ìîäóëÿ âåêòîðà ñêîðîñòè:
rr
aa
tt
t=
, ãäå
a
t
t
=
d
d
v
. (1.14)
Íîðìàëüíûì (öåíòðîñòðåìèòåëüíûì) óñêîðåíèåì
r
a
n
íàçûâàåòñÿ
ñîñòàâëÿþùàÿ óñêîðåíèÿ, îáóñëîâëåííàÿ èçìåíåíèåì íàïðàâëåíèÿ äâè
-
æåíèÿ (ò. å. âåêòîðà
r
t
):
rr
aan
nn
=
, ãäå
a
R
n
=
v
2
. (1.15)
9
Ðèñ. 1.3
Ìîäóëü óñêîðåíèÿ
aaa
n
=+
t
22
. (1.16)
Ïðèìåðû äâèæåíèÿ òî÷êè ïî òðàåêòîðèè:
1. Ðàâíîìåðíîå ïðÿìîëèíåéíîå äâèæåíèå âäîëü îñè x:
v
x
n
a
Ra
a
=Þ=
=¥Þ =
ü
ý
ï
ï
þ
ï
ï
Þ=
const
t
0
0
0
.
Çàêîí äâèæåíèÿ:
xx t
x
=+
0
v
.
2. Ðàâíîïåðåìåííîå ïðÿìîëèíåéíîå äâèæåíèå:
a
Ra
aa
x
x
n
x
t
t
=
=¥Þ =
ü
ý
ï
ï
þ
ï
ï
Þ= =
const
const
0
.
Çàêîí èçìåíåíèÿ ñêîðîñòè:
vv
xx
x
at=+
0
. (1.17)
Çàêîí äâèæåíèÿ:
xx t
at
x
x
=+ +
00
2
2
v
. (1.18)
Èñêëþ÷èâ ïàðàìåòð âðåìåíè t èç óðàâíåíèé (1.17)–(1.18), ìîæíî
ïðèéòè ê ïîëåçíîìó ñîîòíîøåíèþ:
xx
a
x
x
x
-=
-
0
2
0
2
2
vv
. (1.19)
3. Ðàâíîìåðíîå äâèæåíèå ïî îêðóæíîñòè ðàäèóñîì R:
v
v
=Þ=
==
ü
ý
ï
ï
ï
þ
ï
ï
ï
Þ= =
const
const
const
a
a
R
aa
n
n
t
0
2
.
Çàêîí äâèæåíèÿ:
st= v
.
Ïðèìå÷àíèå. Ïðè ïîñòóïàòåëüíîì äâèæåíèè àáñîëþòíî òâåðäîãî òåëà ñêîðîñòè è óñ
-
êîðåíèÿ âñåõ òî÷åê ðàâíû ïî âåëè÷èíå è íàïðàâëåíèþ, à òðàåêòîðèè âñåõ òî÷åê îäèíàêîâû.
Ïîýòîìó êèíåìàòèêó ïîñòóïàòåëüíî äâèæóùåãîñÿ òâåðäîãî òåëà ðàññìàòðèâàþò êàê êèíå
-
ìàòèêó òî÷êè.
10