Курс физики для вузов - часть 1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие написано в соот-

ветствии с действующей программой
курса физики для инженерно-техничес-
ких специальностей высших учебных
заведений. Небольшой объем учебного
пособия достигнут с помощью тщатель-
ного отбора и лаконичного изложения
материала.

Книга состоит из семи частей. В пер-

вой части дано систематическое изложе-
ние физических основ классической ме-
ханики, а также рассмотрены элементы
специальной (частной) теории относи-
тельности. Вторая часть посвящена ос-
новам молекулярной физики и термо-

динамики. В третьей части представле-

ны электростатика, постоянный элект-
рический ток и электромагнетизм. В чет-
вертой части, посвященной теории ко-
лебаний и волн, механические и элек-
тромагнитные колебания рассмотрены
параллельно, указаны их сходства и
различия и сопоставлены физические
процессы, происходящие при соответ-
ствующих колебаниях. В пятой части
изложены элементы геометрической и
электронной оптики, волновая оптика
и квантовая природа излучения. Шес-

тая часть посвящена элементам кванто-
вой физики атомов, молекул и твердых
тел. В седьмой части рассмотрены эле-
менты физики атомного ядра и элемен-
тарных частиц.

Изложение материала ведется без

громоздких математических выкладок,
особое внимание обращено на физиче-
скую суть явлений и описывающих их
понятий и законов, а также на преем-
ственность современной и классичес-
кой физики. Все биографические дан-
ные приведены по книге Ю. А. Храмо-
ва «Физики» (М.: Наука, 1983).

Автор выражает глубокую благо-

дарность коллегам и читателям, чьи
доброжелательные замечания и поже-
лания способствовали улучшению

книги, и особую признательность про-
фессору В. А. Касьянову за рецензиро-
вание пособия и сделанные им замеча-
ния.

Ознакомиться с работами автора мож-

но в Интернете на сайте www.yandex.ru

«Физика. Трофимова Т. И.». Замеча-

ния и предложения просьба направ-

лять автору по электронной почте
trofimova@miem.edu.ru.

ВВЕДЕНИЕ

ПРЕДМЕТ ФИЗИКИ И ЕЕ СВЯЗЬ С ДРУГИМИ НАУКАМИ

Окружающий нас мир, все сущест-

вующее вокруг нас и обнаруживаемое
нами посредством ощущений представ-
ляют собой материю.

Неотъемлемым свойством материи и

формой ее существования является дви-
жение. Движение в широком смысле
слова — это всевозможные изменения
материи — от простого перемещения до
сложнейших процессов мышления.

Разнообразные формы движения

материи изучаются различными наука-
ми, в том числе и физикой. Предмет
физики, как, впрочем, и любой науки,
может быть раскрыт только по мере его
детального изложения. Дать строгое
определение предмета физики доволь-
но сложно, потому что границы между
физикой и рядом смежных дисциплин
условны. На данной стадии развития

нельзя сохранить определение физики
только как науки о природе.

Академик А. Ф.Иоффе (1880-1960;

российский физик) определил физику
как науку, изучающую общие свойства
и законы движения вещества и поля.

В настоящее время общепризнано, что
все взаимодействия осуществляются по-
средством полей, например гравитацион-
ных, электромагнитных, полей ядерных
сил. Поле наряду с веществом является
одной из форм существования материи.
Неразрывная связь поля и вещества, а
также различие в их свойствах будут рас-
смотрены по мере изучения курса.

Физика — наука о наиболее простых

и вместе с тем наиболее общих формах

движения материи и их взаимных пре-

вращениях. Изучаемые физикой формы

движения материи (механическая, теп-
ловая и др.) присутствуют во всех выс-

ших и более сложных формах движения
материи (химических, биологических и

др.). Поэтому они, будучи наиболее про-

стыми, являются в то же время наибо-

лее общими формами движения мате-

рии. Высшие и более сложные формы
движения материи — предмет изучения
других наук (химии, биологии и др.).

Теснейшая связь физики с многими

отраслями естествознания, как отмечал
академик С.И.Вавилов (1891 — 1955;
российский физик и общественный де-
ятель), привела к тому, что физика глу-
бочайшими корнями вросла в астроно-
мию, геологию, химию, биологию и дру-
гие естественные науки. В результате
образовался ряд новых смежных дис-

циплин, таких, как астрофизика, био-
физика и др.

Физика тесно связана и с техникой,

причем эта связь имеет двусторонний
характер. Физика выросла из потребно-
стей техники (развитие механики у
древних греков, например, было вызва-
но запросами строительной и военной
техники того времени), и техника, в
свою очередь, определяет направление
физических исследований (например, в
свое время задача создания наиболее

экономичных тепловых двигателей выз-
вала интенсивное развитие термодина-
мики). С другой стороны, от развития
физики зависит технический уровень

производства. Физика — база для созда-
ния новых отраслей техники (электрон-
ная техника, ядерная техника и др.).

Бурный темп развития физики, рас-

тущие связи ее с техникой указывают

на значительную роль курса физики во
втузе — это фундаментальная база для

теоретической подготовки инженера,

без которой его успешная деятельность
невозможна.

ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Основным методом исследования в

физике является опыт — основанное
на практике чувственно-эмпирическое
познание объективной действительно-
сти, т. е. наблюдение исследуемых явле-
ний в точно учитываемых условиях,
позволяющих следить за ходом явле-

ний и многократно воспроизводить его
при повторении этих условий.

Для объяснения эксперименталь-

ных данных выдвигаются гипотезы. Ги-
потеза — это научное предположение,
позволяющее уяснить сущность проис-
ходящих явлений и требующее провер-
ки на опыте и теоретического обосно-
вания для того, чтобы стать достовер-
ной научной теорией.

В результате обобщения экспери-

ментальных данных, а также накоплен-
ного опыта людей устанавливаются
физические законы — устойчивые по-
вторяющиеся объективные закономер-
ности, существующие в природе. Наи-
более важные законы устанавливают
связь между физическими величинами.

Измерение физической величины есть

действие, выполняемое с помощью

средств измерений для нахождения зна-

чения физической величины в приня-
тых единицах.

Единицы физических величин мож-

но выбрать произвольно, но тогда воз-
никнут трудности при их сравнении.

Поэтому целесообразно ввести систему
единиц, охватывающую единицы всех

физических величин.

Для построения системы единиц

произвольно выбирают единицы для
нескольких не зависящих друг от друга
физических величин. Эти единицы на-
зываются основными. Остальные же

единицы, называемые производными,
выводятся из физических законов, свя-
зывающих их с основными единицами.

В научной, а также в учебной лите-

ратуре обязательна к применению Си-
стема интернациональная (СИ), кото-
рая строится на семи основных едини-

цах — метр, килограмм, секунда, ампер,
кельвин, моль, кандела — и двух допол-
нительных — радиан и стерадиан.

Метр (м) — длина пути, проходимо-

го светом в вакууме за 1/299 792 458 с.

Килограмм (кг) — масса, равная

массе международного прототипа кило-
грамма (платиноиридиевого цилиндра,
хранящегося в Международном бюро
мер и весов в Севре, близ Парижа).

Секунда (с) — время, равное

9 192 631 770 периодам излучения, со-
ответствующего переходу между двумя
сверхтонкими уровнями основного со-
стояния атома цезия-133.

Ампер (А) — сила неизменяющего-

ся тока, который при прохождении по
двум параллельным прямолинейным
проводникам бесконечной длины и
ничтожно малого поперечного сечения,
расположенным в вакууме на расстоя-
нии 1 м один от другого, создает меж-
ду этими проводниками силу, равную

2 • 10

-7

 Н на каждый метр длины.

Кельвин (К) — 1/273,16 часть тер-

модинамической температуры тройной
точки воды.

Моль (моль) — количество веще-

ства системы, содержащей столько же
структурных элементов, сколько ато-

мов содержится в нуклиде

 12

С массой

0,012 кг.

Кандела (кд) — сила света в задан-

ном направлении источника, испуска-
ющего монохроматическое излучение

частотой 540 • 10

12

 Гц, энергетическая

сила света которого в этом направлении
составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан (рад) — угол между двумя

радиусами окружности, длина дуги
между которыми равна радиусу.

Стерадиан (ср) — телесный угол с

вершиной в центре сферы, вырезающий
на поверхности сферы площадь, равную
площади квадрата со стороной, равной
радиусу сферы.