Трофимова Т.И. - Курс физики

Т. ИТрофимова Издание второе, исправленное и дополненное Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию а «ачестаа учебного пособии дпк студенток твкннческн» специальностей кысщик учабнык заведений ® Москва «Высшая школа» 1990 ББК 22.3 Т70 УДК 58 Рецеизеиты: кафедра физики Ленинградского политехнического института им. М. Р). Калинина; кафедра физики Уральского политехиичесного института им. С. М. Кирова Пособие составлена в соответствии с программой па физике для студеитов вузов. Ояо состоит пз сЕми частей, в которых излагаются физические основы механики, молекулярной физики и териодинамики, электричества я магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, фн. вики атомяога ядра и элементарных частик.

В пособии устанавливается логическая преемствениость и связь между классической и савремеииой физикой. Во второе нзлаиие ().е — )995 г.) виесены пэмекеипя, приведены кок. трольиые вопросы и задачи для самостоятельного ряжения. ББК 22.3 102-90 33 Т 1004010000 (4309000000) †3 001(01) — 90 15В)х) 5-06-001540-8 Сес) Т И Трофимова !')90 Трофимова Т. И. Т70 Курс физики: Учеб. пособие длн вузов.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Вв)сш. шк., 1990.— 478 с.: ил. 15В51 5-06-00!540-8 Предисловие Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

Небольшой объем учебного пособия достигнут с помощью тщательного отбора и лаконичного изложения материала. Книга состоит из семи частей. В первой части дано систематическое изложение физических основ классической механики, а также рассмотрены элементы специальной (частной) теории относительно» сти. Вторая часть посвящена основам молекулярной физики н термодинамики. В третьей части изучаются электростатика, постоянный электрический ток и электромагнетизм. В четвертой части, посвященной изложению колебаний и волн, механические и электромагнитные колебания рассматриваются параллельно, указываются их сходства и различия и сравниваются физические процессы, происходящие при соответствующих колебаниях.

В пятой части рассмотрены элементы геометриче. ской и электронной оптики, волновая апти. ка и квантовая природа излучения. Шестая часть писан~цена элементам квантовой физики атомов, молекул и твердых тел. В седьмой части излагаются элементы физики атомного ядра н элементарных частиц. Изложение материала ведется без громоздких математических выкладок, должное внимание обращается на физическую суть явлений и описывающих их понятий н законов, а также на преемственность современной и классической физики.

Обозначения и единицы физических вели- чин соответствуют Государственным стандартам СССР и стандартам СЭВ. При подготовке второго издания заново написаны некоторые параграфы, внесены исправления и дополнения по всему курсу, расширен иллюстративный материал. К каждой главе даны контрольные вопросы и задачи. Лля обозначения векторных величин на всех рисунках и в тексте использован полужирный шрифт, за исключением величин, обозначенных греческими буквами, которые по техническим причинам набраны в тексте светлым шрифтом со стрелкой.

' Настсашнй курс предназначен для студентов вмсших технических учЕбных заведений дневной формы обучения с ограниченным числом часов по физике, с возможностью его использования на вечерней и заочной формах обучения. Автор выражает глубокую признательность коллегам и читателям, чьи доброжелательные замечания и пожелания способствовали улучшению книги. Автор считает своим долгом поблагодарить кафедру физики Уральского политехнического института и кафедру экспериментальной физики Ленинградского политехнического института, взявших на себя труд рецензирования рукописи при подготовке второго издания. Автор будет благодарен за замечания и советы по улучшению пособия.

Просьба направлять их в издательство «Высшая школа» по адресу: ! 01430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14. Автор Введение Предмет физики и ее связь с другими науками Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (Ленин В. И. Полн.

собр. соч. Т, 18. С. 131). Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение в широком смысле слона — эта всевозможные изменения материи — от простого перемещения до сложнейших процессов мышления. «Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т.

е. понимаемое как способ существования материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во Вселенной изменения и процессы, начиная от простого неремещения и кончая мышлением» (Энгельс Ф. Диалектика природы.— К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч. 2-е изд. Т. 20. С. 391). Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой.

Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть расирыт только по мере его детального изложения. Дать строгое определение прел- мета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условны. На данной стадии развитии нельзя сохранить определение физики только как науки о природе. Академик А. Ф. Иоффе (1880 — 1960; советский физик) * определил физику как ' Все данные приведены по биографическому справочнику Ю.

А. Храмова «Физики» (М: Наука, !983). науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. В настоящее время общепризнано, что все взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с веществом является одной из форм существования материи. Неразрывнан связь паля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены по мере изучения курса. Физика — наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях.

Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Высшие н более сложные формы движения материи— предмет изучения других наук (химии, биологии и др,). Физика тесно связана с естественными науками. Как сказал академик С. И. Вавилов (1891 — 1955; советский физик и общественный деятель), эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки.

В результате образовался ряд новых смежных дисциплин, таких, как астрофизика, геофизика, физическая химия, биофизика и др. Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь носит двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследо- Вас„пк, ваний (напрнмер, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики) С другой стороны, от развития физики записи~ технический уро.

вень производства. Физика — база для создания новых отраслей техники (электронная техника, ядерная техника и др.). Физика тесно связана и с философией. Такие крупные открытия в области физи. ки, как закон сохранения и превращения энергии, соотношение неопределенностей в атомной физике и др,, являлись и являются ареной острой борьбы между материализмом и идеализмом. Верные философские выводы из научных открытий в области физики всегда подтверждали основные положения диалектического материализма, поэтому изучение этих открытий и их философское обобщение играют большую роль в формировании научного мировоззрения. Бурный темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на двоякую роль курса физики ва втузе: с одной стороны, это фундамента.пьная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна, с другой — это формирование диалектика-материалистнческого и научно-атеистического мировоззрения.

Единицы физических величин Основным методом исследования в физике является опыт — основанное на практике чувственно-эмпирическое познание объективной действительности, т. е наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условинх, позволяющих следить за ходом явлений и многократно воспроизводить его при повторении этих условий. Лля объяснения экспериментальных фактов аыдвигакюся гипотезы. Гипотеза это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией. В результате обобщения экспериментальных фак~ов, а также резулыатов деятельности вюдей устанавливаются физи- ческие законы -- устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе.

Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами, для чего необходимо эти величины измерять. Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помощью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах. Единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возникнут трудности при их сравнении. Поэтому целесообразно ввести систему единиц, охватывающую единицы всех физических величин и позволяющую оперировать с ними. Лля построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга физических величин. Эти единицы называются основнымн.