Действие происходит в начале 60-х гг. XX в. в Швейцарии, в частном сумасшедшем доме «Вишнёвый сад». Санаторий, благодаря стараниям его хозяйки, горбатой фрейлейн Матильды фон Цанг, доктора медицины, и пожертвованиям различных благотворительных обществ, расширяется. Строятся новые корпуса, куда переводят наиболее состоятельных и уважаемых пациентов. В старом здании остаются всего лишь три пациента, все они физики. Милые, безвредные и очень симпатичные психопаты. Они сговорчивы и скромны. Их можно было бы назвать образцовыми пациентами, если бы три месяца назад один из них, считающий себя Ньютоном, не удавил свою сиделку. Подобный случай повторился снова. На этот раз виновником стал второй пациент, считающий себя Эйнштейном. Полиция проводит расследование.

Инспектор полиции Рихард Фос передаёт фрейлейн фон Цанг приказ прокурора заменить сиделок санитарами. Она обещает ему это сделать.

В больницу приходит бывшая жена третьего физика, Иогана Вильгельма Мёбиуса, которая вышла замуж за миссионера Розе и теперь хочет вместе со своими тремя сыновьями попрощаться с первым мужем, поскольку с миссионером Розе уезжает на Марианские острова. Один из сыновей говорит отцу, что хочет стать священником, второй - философом, а третий - физиком. Мёбиус категорически против того, чтобы один из его сыновей становился физиком. Если бы сам он не стал физиком, то не попал бы в сумасшедший дом. Ведь ему является царь Соломон, Мальчики хотят сыграть отцу на флейтах. В самом начале игры Мёбиус вскакивает и просит их не играть. Он переворачивает стол, садится в него и начинает читать фантастические псалмы царя Соломона, затем прогоняет семейство Розе, которое уходит перепуганное и плачущее, навсегда расставаясь с Мёбиусом.

Сестра Моника, его сиделка, которая ухаживает за ним уже два года, видит, что он притворяется, изображая из себя сумасшедшего. Она признается ему в любви и просит уйти из сумасшедшего дома вместе с ней, поскольку фрейлейн фон Цанг не считает его опасным. Мёбиус тоже признается, что любит Монику больше жизни, но уйти с ней не может, не может предать царя Соломона. Моника не сдаётся, она настаивает. Тогда Мёбиус душит ее шнуром от портьеры.

В дом снова приезжает полиция. Они снова что-то измеряют, записывают, фотографируют. В комнату входят исполинского роста санитары, бывшие боксёры, и привозят больным роскошный ужин. Двое полицейских выносят труп Моники. Мёбиус сокрушается, что убил ее. В беседе с ним инспектор уже не проявляет тех изумления и враждебности, что были у него утром. Он даже сообщает Мёбиусу, что испытывает удовольствие по поводу того, что нашёл трёх убийц, которых с чистой совестью может не арестовывать, а правосудие в первый раз может отдохнуть. Служение закону, говорит он, - это изнурительная работа, на которой сгораешь как физически, так и морально. Он уходит, передавая дружеский привет Ньютону и Эйнштейну, а также поклон царю Соломону.

Из соседней комнаты выходит Ньютон. Он хочет поговорить с Мёбиусом и сообщить ему о своём плане побега из санатория. Появление санитаров вынуждает его ускорить приведение плана в исполнение и сделать это сегодня же. Он признается, что он вовсе не Ньютон, а Алек Джаспер Килтон, основоположник теории соответствий, пробравшийся в санаторий и изображавший сумасшедшего, чтобы иметь возможность шпионить за Мёбиусом, гениальнейшим. физиком современности. Для этого он с величайшим трудом овладел немецким языком в лагере своей разведки. Все началось с того, что он прочёл диссертацию Мёбиуса об основах новой физики. Сначала он счёл ее ребячеством, но потом пелена спала с его глаз. Он понял, что встретился с гениальным творением новейшей физики, и стал наводить справки об авторе, но - безуспешно. Тогда он поставил в известность свою разведку, и та напала на след. Из другой комнаты выходит Эйнштейн и сообщает, что он тоже читал эту диссертацию и также не является сумасшедшим. Он физик и, подобно Килтону, состоит на службе у разведки. Зовут его Иосиф Эйслер, он автор эффекта Эйслера. У Килтона вдруг оказывается в руках револьвер. Он просит Эйслера повернуться лицом к стене. Эйслер спокойно подходит к камину, кладёт на него свою скрипку, на которой перед этим играл, и неожиданно тоже поворачивается с револьвером в руке. Оба они вооружены и приходят к выводу, что лучше обойтись без дуэли, поэтому кладут свои револьверы за каминную решётку.

Они рассказывают Мёбиусу, почему убили своих сиделок. Сделали они это потому, что девушки начинали подозревать, что они не сумасшедшие, и тем самым ставили под угрозу выполнение их миссий. Друг друга же они все это время считали действительно сумасшедшими.

Входят трое санитаров, проверяют наличие всех троих пациентов, опускают на окна решётки, запирают их и затем уходят.

После их ухода Килтон и Эйслер наперебой расхваливают перспективы, которые могут предоставить Мёбиусу разведки их стран. Они предлагают Мёбиусу бежать из сумасшедшего дома, однако тот отказывается. Они начинают «рвать» его друг у друга из рук и приходят к выводу, что дело все же необходимо решить дуэлью, а если надо, то стрелять и в Мёбиуса, несмотря на то что он самый ценный человек на земле. Но рукописи его ещё ценнее. Тут Мёбиус признается, что заблаговременно сжёг все свои записи, итог пятнадцатилетнего труда, ещё до того, как вернулась полиция. Оба шпиона в ярости. Теперь они окончательно в руках Мёбиуса.

Мёбиус убеждает их, что они должны принять единственно разумное и ответственное решение, ибо их ошибка может привести к мировой катастрофе. Он выясняет, что на деле оба - и Килтон, и Эйслер - предлагают одно и то же: полнейшую зависимость Мёбиуса от той организации, куда он пошёл бы на службу, и риск, на который человек не имеет права идти: гибель человечества из-за оружия, которое можно создать на основе его открытий. В своё время, ещё в молодости, такая ответственность заставила его выбрать иной путь - отказаться от академической карьеры, объявить, что ему является царь Соломон, чтобы его заперли в сумасшедшем доме, ибо в нем он оказывается свободнее, чем за его пределами. Человечество отстаёт от физиков. И из-за них оно может погибнуть, Мёбиус призывает обоих коллег остаться в сумасшедшем доме и передать по рации своему начальству, что Мёбиус действительно сумасшедший. Они соглашаются с его доводами.

Вслед за этим входят санитары в чёрной форме, в фуражках и с револьверами. Вместе с ними - доктор фон Цанг. Они обезоруживают Килтона и Эйслера. Доктор сообщает физикам, что их разговор был подслушан и что они давно уже находились под подозрением. Доктор заявляет, что царь Соломон являлся ей все эти годы и сообщил, что теперь именно она должна принять власть над миром от лица царя, ибо Мёбиус, которому он сначала доверился, его предал. Она говорит, что давно уже сделала копии всех записей Мёбиуса и на их основе открыла гигантские предприятия. Она подставила всех троих физиков, заставив их убить сиделок, которых сама на них и натравила, Для окружающего мира они - убийцы. Санитары являются сотрудниками ее заводской полиции. А эта вилла отныне становится истинной сокровищницей ее треста, откуда все трое не могут сбежать. Она мечтает о могуществе, о покорении Вселенной. Мир попадёт в руки сумасшедшей хозяйки сумасшедшего дома.

В книге в краткой и доступной форме изложен материал по всем разделам программы курса "Физика" - от механики до физики атомного ядра и элементарных частиц. Для студентов ВУЗов. Полезно для повторения пройденного материала и при подготовке к экзаменам в ВУЗах, техникумах, колледжах, школах, на подготовительных отделениях и курсах.

Элементы кинематики.
Модели в механике
Материальная точка
Тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Материальная точка - абстракция, но ее введение облегчает решение практических задач (например, движущиеся вокруг Солнца планеты при расчетах можно принять за материальные точки).

Система материальных точек
Произвольное макроскопическое тело или систему тел можно мысленно разбить на малые взаимодействующие между собой части, каждая из которых рассматривается как материальная точка. Тогда изучение движения произвольной системы тел сводится к изучению системы материальных точек. В механике сначала изучают движение одной материальной точки, а затем переходят к изучению движения системы материальных точек.

Абсолютно твердое тело
Тело, которое ни при каких условиях не может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками (точнее между двумя частицами) этого тела остается постоянным.

Абсолютно упругое тело
Тело, деформация которого подчиняется закону Гука, а после прекращения действия внешних сил принимает свои первоначальные размеры и форму.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 4
Предмет физики 4
Связь физики с другими науками 5
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ 6
Механика и ее структура 6
Глава 1. Элементы кинематики 7
Модели в механике. Кинематические уравнения движения материальной точки. Траектория, длина пути, вектор перемещения. Скорость. Ускорение и его составляющие. Угловая скорость. Угловое ускорение.
Глава 2 Динамика материальной точки и поступательное движение твердого тела 14
Первый закон Ньютона. Масса. Сила. Второй и третий законы Ньютона. Закон сохранения импульса. Закон движения центра масс. Силы трения.
Глава 3. Работа и энергия 19
Работа, энергия, мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Связь между консервативной силой и потенциальной энергией. Полная энергия. Закон сохранения энергии. Графическое представление энергии. Абсолютно упругий удар. Абсолютно неупругий удар
Глава 4. Механика твердого тела 26
Момент инерции. Теорема Штейнера. Момент силы. Кинетическая энергия вращения. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела. Момент импульса и закон его сохранения. Деформации твердого тела. Закон Гука. Связь между деформацией и напряжением.
Глава 5. Тяготение. Элементы теории поля 32
Закон всемирного тяготения. Характеристики поля тяготения. Работа в поле тяготения. Связь между потенциалом поля тяготения и его напряженностью. Космические скорости. Силы инерции.
Глава 6. Элементы механики жидкостей 36
Давление в жидкости и газе. Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли. Некоторые применения уравнения Бернулли. Вязкость (внутреннее трение). Режимы течения жидкостей.
Глава 7. Элементы специальной теории относительности 41
Механический принцип относительности. Преобразования Галилея. Постулаты СТО. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца (1). Следствия из преобразований Лоренца (2). Интервал между событиями. Основной закон релятивистской динамики. Энергия в релятивистской динамике.
2. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 48
Глава 8. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов 48
Разделы физики: молекулярная физика и термодинамика. Метод исследования термодинамики. Температурные шкалы. Идеальный газ. Законы Бойля-Мариотга, Авогадро, Дальтона. Закон Гей-Люссака. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям. Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Средняя длина свободного пробега молекул. Некоторые опыты, подтверждающие МКТ. Явления переноса (1). Явления переноса (2).
Глава 9. Основы термодинамики 60
Внутренняя энергия. Число степеней свободы. Закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул. Первое начало термодинамики. Работа газа при изменении его объема. Теплоемкость (1). Теплоемкость (2). Применение первого начала термодинамики к изопроцессам (1). Применение первого начала термодинамики к изопроцессам (2). Адиабатный процесс. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы. Энтропия (1). Энтропия (2). Второе начало термодинамики. Тепловой двигатель. Теорема Кар-но. Холодильная машина. Цикл Карно.
Глава 10. Реальные газы, жидкости и твердые тела 76
Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса (уравнение состояния реальных газов). Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ (1). Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ (2). Внутренняя энергия реального газа. Жидкости и их описание. Поверхностное натяжение жидкостей. Смачивание. Капиллярные явления. Твердые тела: кристаллические и аморфные. Моно- и поликристаллы. Кристаллографический признак кристаллов. Типы кристаллов согласно физическому признаку. Дефекты в кристаллах. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Фазовые переходы. Диаграмма состояния. Тройная точка. Анализ экспериментальной диаграммы состояния.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 94
Глава 11. Электростатика 94
Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Напряженность электростатического поля. Линии напряженности электростатического поля. Поток вектора напряженности. Принцип суперпозиции. Поле диполя. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме. Применение теоремы Гаусса к расчету полей в вакууме (1). Применение теоремы Гаусса к расчету полей в вакууме (2). Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов. Принцип суперпозиции. Связь между напряженностью и потенциалом. Эквипотенциальные поверхности. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для поля в диэлектрике. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред. Проводники в электростатическом поле. Электроемкость. Плоский конденсатор. Соединение конденсаторов в батареи. Энергия системы зарядов и уединенного проводника. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля.
Глава 12. Постоянный электрический ток 116
Электрический ток, сила и плотность тока. Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС). Напряжение. Сопротивление проводников. Закон Ома для однородного участка в замкнутой цепи. Работа и мощность тока. Закон Ома для неоднородного участка цепи (обобщенный закон Ома (ОЗО)). Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
Глава 13. Электрические токи в металлах, вакууме и газах 124
Природа носителей тока в металлах. Классическая теория электропроводности металлов (1). Классическая теория электропроводности металлов (2). Работа выхода электронов из металлов. Эмиссионные явления. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд. Самостоятельный газовый разряд.
Глава 14. Магнитное поле 130
Описание магнитного поля. Основные характеристики магнитного поля. Линии магнитной индукции. Принцип суперпозиции. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов. Магнитная постоянная. Единицы В и Н. Магнитное поле движущегося заряда. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Движение заряженных частиц в
магнитном поле. Теорема о циркуляции вектора В. Магнитное поля соленоида и тороида. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
Глава 15. Электромагнитная индукция 142
Опыты Фарадея и следствия из них. Закон Фарадея (закон электромагнитной индукции). Правило Ленца. ЭДС индукции в неподвижных проводниках. Вращение рамки в магнитном поле. Вихревые токи. Индуктивность контура. Самоиндукция. Токи при размыкании и замыкании цепи. Взаимная индукция. Трансформаторы. Энергия магнитного поля.
Глава 16. Магнитные свойства вещества 150
Магнитный момент электронов. Диа- и парамагнетики. Намагниченность. Магнитное поле в веществе. Закон полного тока для магнитного поля в веществе (теорема о циркуляции вектора В). Теорема о циркуляции вектора Н. Условия на границе раздела двух магнетиков. Ферромагнетики и их свойства.
Глава 17. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля 156
Вихревое электрическое поле. Ток смещения (1). Ток смещения (2). Уравнения Максвелла для электромагнитного поля.
4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 160
Глава 18. Механические и электромагнитные колебания 160
Колебания: свободные и гармонические. Период и частота колебаний. Метод вращающегося вектора амплитуды. Механические гармонические колебания. Гармонический осциллятор. Маятники: пружинный и математический. Физический маятник. Свободные колебания в идеализированном колебательном контуре. Уравнение электромагнитных колебаний для идеализированного контура. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Свободные затухающие колебания и их анализ. Свободные затухающие колебания пружинного маятника. Декремент затухания. Свободные затухающие колебания в электрическом колебательном контуре. Добротность колебательной системы. Вынужденные механические колебания. Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток. Ток через резистор. Переменный ток, текущий через катушку индуктивностью L. Переменный ток, текущий через конденсатор емкостью С. Цепь переменного тока, содержащая последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор. Резонанс напряжений (последовательный резонанс). Резонанс токов (параллельный резонанс). Мощность, выделяемая в цепи переменного тока.
Глава 19. Упругие волны 181
Волновой процесс. Продольные и поперечные волны. Гармоническая волна и ее описание. Уравнение бегущей волны. Фазовая скорость. Волновое уравнение. Принцип суперпозиции. Групповая скорость. Интерференция волн. Стоячие волны. Звуковые волны. Эффект Доплера в акустике. Получение электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Дифференциальное уравнение
электромагнитных волн. Следствия теории Максвелла. Вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойнгинга). Импульс электромагнитного поля.
5. ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ 194
Глава 20. Элементы геометрической оптики 194
Основные законы оптики. Полное отражение. Линзы, тонкие линзы, их характеристики. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. Построение изображений в линзах. Аберрации (погрешности) оптических систем. Энергетические величины в фотометрии. Световые величины в фотометрии.
Глава 21. Интерференция света 202
Вывод законов отражения и преломления света на основе волновой теории. Когерентность и монохроматичность световых волн. Интерференция света. Некоторые методы наблюдения интерференции света. Расчет интерференционной картины от двух источников. Полосы равного наклона (интерференция от плоскопараллельной пластинки). Полосы равной толщины (интерференция от пластинки переменной толщины). Кольца Ньютона. Некоторые применения интерференции (1). Некоторые применения интерференции (2).
Глава 22. Дифракция света 212
Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля (1). Метод зон Френеля (2). Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. Дифракция Фраунгофера на щели (1). Дифракция Фраунгофера на щели (2). Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. Дифракция на пространственной решетке. Критерий Рэлея. Разрешающая способность спектрального прибора.
Глава 23. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 221
Дисперсия света. Различия в дифракционном и призматическом спектрах. Нормальная и аномальная дисперсия. Элементарная электронная теория дисперсии. Поглощение (абсорбция) света. Эффект Доплера.
Глава 24. Поляризация света 226
Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса. Прохождение света через два поляризатора. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Двойное лучепреломление. Положительные и отрицательные кристаллы. Поляризационные призмы и поляроиды. Пластинка в четверть волны. Анализ поляризованного света. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости поляризации.
Глава 25. Квантовая природа излучения 236
Тепловое излучение и его характеристики. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Формулы Рэлея-Джинса и Планка. Получение из формулы Планка частных законов теплового излучения. Температуры: радиационная, цветовая, яркостная. Вольтамперная характеристика фотоэффекта. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Импульс фотона. Давление света. Эффект Комптона. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
6. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ 246
Глава 26. Теория атома водорода по Бору 246
Модели атома Томсона и Резерфорда. Линейный спектр атома водорода. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца. Спектр атома водорода по Бору.
Глава 27. Элементы квантовой механики 251
Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Некоторые свойства волн де Бройля. Соотношение неопределенностей. Вероятностный подход к описанию микрочастиц. Описание микрочастиц с помощью волновой функции. Принцип суперпозиции. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шрединге-ра для стационарных состояний. Движение свободной частицы. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками». Потенциальный барьер прямоугольной формы. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике.
Глава 28. Элементы современной физики атомов и молекул 263
Водородоподобный атом в квантовой механике. Квантовые числа. Спектр атома водорода. ls-состояние электрона в атоме водорода. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Сплошной (тормозной) рентгеновский спектр. Характеристический рентгеновский спектр. Закон Мозли. Молекулы: химические связи, понятие об энергетических уровнях. Молекулярные спектры. Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучение. Активные среды. Типы лазеров. Принцип работы твердотельного лазера. Газовый лазер. Свойства лазерного излучения.
Глава 29. Элементы физики твердого тела 278
Зонная теория твердых тел. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории. Собственная проводимость полупроводников. Электронная примесная проводимость (проводимость я-типа). Донорная примесная проводимость (проводимость р-типа). Фотопроводимость полупроводников. Люминесценция твердых тел. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-п-переход). Проводимость р-и-перехода. Полупроводниковые диоды. Полупроводниковые триоды (транзисторы).
7. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 289
Глава 30. Элементы физики атомного ядра 289
Атомные ядра и их описание. Дефект массы. Энергия связи ядра. Спин ядра и его магнитный момент. Ядерные сипы. Модели ядра. Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада. Правила смещения. Радиоактивные семейства. а-Распад. р-Распад. у-Излучение и его свойства. Приборы для регистрации радиоактивных излучений и частиц. Сцинтилляционный счетчик. Импульсная ионизационная камера. Газоразрядный счетчик. Полупроводниковый счетчик. Камера Вильсона. Диффузионная и пузырьковая камеры. Ядерные фотоэмульсии. Ядерные реакции и их классификация. Позитрон. Р+-Распад. Электронно-позитронные пары, их аннигиляция. Электронный захват. Ядерные реакции под действием нейтронов. Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Ядерные реакторы. Реакция синтеза атомных ядер.
Глава 31. Элементы физики элементарных частиц 311
Космическое излучение. Мюоны и их свойства. Мезоны и их свойства. Типы взаимодействий элементарных частиц. Описание трех групп элементарных частиц. Частицы и античастицы. Нейтрино и антинейтрино, их типы. Гипероны. Странность и четность элементарных частиц. Характеристики лептонов и адронов. Классификация элементарных частиц. Кварки.
Периодическая система элементов Д.И. Менделеева 322
Основные законы и формулы 324
Предметный указатель 336.

2.2 Распределение Максвелла и Больцмана

2.2.1 Скорости газовых молекул

2.3. Первое начало термодинамики

2.3.1 Работа и энергия в тепловых процессах. Первое начало термодинамики

2.3.2 Теплоемкость газа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам

2.4. Второе начало термодинамики

2.4.1. Работа тепловых машин. Цикл Карно

2.4.2 Второе начало термодинамики. Энтропия

2.5 Реальные газы

2.5.1 Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа

2.5.2 Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона

III Электричество и магнетизм

3.1 Электростатика

3.1.1 Электрические заряды. Закон Кулона

3.1.2 Напряженность электрического поля. Поток линий вектора напряженности

3.1.3 Теорема Остроградского - Гаусса и его применение для расчета полей

3.1.4 Потенциал электростатического поля. Работа и энергия заряда в электрическом поле

3.2 Электрическое поле в диэлектриках

3.2.1 Электроемкость проводников, конденсаторы

3.2.2 Диэлектрики. Свободные и связанные заряды, поляризация

3.2.3 Вектор электростатической индукции. Сегнетоэлектрики

3.3 Энергия электростатического поля

3.3.1 Электрический ток. Законы Ома для постоянного тока

3.3.2 Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Работа и мощность постоянного тока

3.4 Магнитное поле

3.4.1 Магнитное поле. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов

3.4.2 Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Закон полного тока.

3.4.3 Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле прямого тока

3.4.4 Сила Лоренца Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях

3.4.5 Определение удельного заряда электрона. Ускорители заряженных частиц

3.5 Магнитные свойства вещества

3.5.1 Магнетики. Магнитные свойства веществ

3.5.2 Постоянные магниты

3.6 Электромагнитная индукция

3.6.1 Явления электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Токи Фуко

3.6.2 Ток смещения. Вихревое электрическое поле Уравнения Максвелла

3.6.3 Энергия магнитного поля токов

IV Оптика и основы ядерной физики

4.1. Фотометрия

4.1.1 Основные фотометрические понятия. Единицы измерений световых величин

4.1.2 Функция видности. Связь между светотехническими и энергетическими величинами

4.1.3 Методы измерения световых величин

4.2 Интерференция света

4.2.1 Способы наблюдения интерференции света

4.2.2 Интерференция света в тонких пленках

4.2.3 Интерференционные приборы, геометрические измерения

4.3 Дифракция света

4.3.1 Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Зонная пластинка

4.3.2 Графическое вычисление результирующей амплитуды. Применение метода Френеля к простейшим дифракционным явлениям

4.3.3 Дифракция в параллельных лучах

4.3.4 Фазовые решетки

4.3.5 Дифракция рентгеновских лучей. Экспериментальные методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Определение длины волны рентгеновских лучей

4.4 Основы кристаллооптики

4.4.1 Описание основных экспериментов. Двойное лучепреломление

4.4.2 Поляризация света. Закон Малюса

4.4.3 Оптические свойства одноосных кристаллов. Интерференция поляризованных лучей

4.5 Виды излучения

4.5.1 Основные законы теплового излучения. Абсолютно черное тело. Пирометрия

4.6 Действие света

4.6.1 Фотоэлектрический эффект. Законы внешнего фотоэффекта

4.6.2 Эффект Комптона

4.6.3 Давление света. Опыты Лебедева

4.6.4 Фотохимическое действие света. Основные фотохимические законы. Основы фотографии

4.7 Развитие квантовых представлений об атоме

4.7.1 Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарно-ядерная модель атома

4.7.2 Спектр атомов водорода. Постулаты Бора

4.7.3 Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля

4.7.4 Волновая функция. Соотношение неопределенности Гейзенберга

4.8 Физика атомного ядра

4.8.1 Строение ядра. Энергия связи атомного ядра. Ядерные силы

4.8.2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

4.8.3 Радиоактивные излучения

4.8.4 Правила смещения и радиоактивные ряды

4.8.5 Экспериментальные методы ядерной физики. Методы регистрации частиц

4.8.6 Физика элементарных частиц

4.8.7 Космические лучи. Мезоны и гипероны. Классификация элементарных частиц

Содержание

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет

им. С. Торайгырова

В.А. Жексенбекова, Т.Т. Данияров, М.Ш. Алинова

ФИЗика

Павлодар

Учебник рекомендован к изданию учебно-методической секцией по специальностям профессионального обучения, искусства и услуг Республиканского учебно-методического совета (РУМС) МОН РК при ЮКГУ им. М. Ауэзова, протокол №4 от 22.05.09

Рецензенты:

Т.С.Рамазанов - доктор физико-математических наук, профессор, КазНУ им. Аль-Фараби, г. Алматы;

С.К. Тлеукенов - доктор физико-математических наук, профессор, ПГУ им.С.Торайгырова, г. Павлодар;

А.М. Мубараков – доктор педагогических наук, профессор, Инновационный Евразийский университет, г. Павлодар.

В.А. Жексембекова, Т.Т. Данияров, М. Ш. Алинова

А50 Физика: учебник.  Павлодар: Кереку, 2009.  370 с.

ISBN 9965 - 9965 - 32 – 910-9

В учебнике обобщен опыт подготовки будущих педагогов профессионального обучения к профессиональной деятельности через раскрытие содержания и структуры курса физики с учетом достижений современной науки и практики.

В курсе физики рассматриваются вопросы, предусмотренные требованиями стандарта специальности, которые должны обеспечить будущему педагогу профессионального обучения основы его теоретической подготовки в различных областях физической науки.

Учебник предназначен для учащихся колледжей и студентов специальности 0505120 –Профессиональное обучение, педагогов и работников организаций профессионального образования.

А 1604000000

ISBN 9965 - 9965 - 32 – 910-9

 Жексембекова В.А., Данияров Т.Т., Алинова М.Ш., 2009

 ПГУ им. С. Торайгырова, 20099

Введение Физика как наука. Содержание и структура физики

«Физика»- по-гречески «природа». Наряду с другими естественными науками физика изучает свойства окружающего нас мира, строение и свойства материи, законы взаимодействия и движения материальных тел. Физика - наука о наиболее простых общих свойствах материи. Среди всех наук о природе физика занимает особое положение: это есть наука о наиболее общих свойствах и формах движения материи. Материя находится в непрерывном движении, под которым понимается всякое изменение вообще. Движение представляет собой неотъемлемое свойство материи, которое несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Процесс познания в физике, как и в любой науке, начинается либо с наблюдения явлений в естественных условиях, либо со специально поставленных опытов - экспериментов. Результат эксперимента, при постановке которого исследователь уже руководствуется определенной гипотезой, дает возможность проверить гипотезу, уточнить и расширить ее до степени теории, установить физический закон, т. е. установить характер объективной зависимости между различными физическими величинами. Опыт (наблюдение, эксперимент, практика) является источником всех наших знаний.

Физические законы устанавливаются на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности, существующие в природе. Эти законы обычно формулируются в виде количественных соотношений между различными величинами.

Основным методом исследования в физике является опыт, т. е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Экспериментально могут быть вызваны явления, которые естественно в природе не наблюдаются. Например, из числа известных в настоящее время химических элементов более десяти в природе пока не обнаружены и были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

На основе накопленного экспериментального материала строится предварительное научное предположение о механизме и взаимосвязи явлений - создается гипотеза. Гипотеза - это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства для того, чтобы стать научной теорией или законом. Правильность высказанной гипотезы проверяется посредством постановки соответствующих опытов, путем выяснения согласия следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. Успешно прошедшая такую проверку и доказанная гипотеза превращается в научный закон или теорию.

Физическая теория представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения.

Вся история науки показывает, что процесс познания материального мира не заканчивается каждым таким кругом - от опыта к теории и от теории обратно к опыту. Очень скоро обнаруживаются новые области явлений и накапливаются факты, объяснение которых не укладывается в рамки существующих теорий и требует выдвижения новых гипотез.

Научное исследование является единством теории и практики при решающей роли практики и ведущей роли теории. Без теоретических обобщений, без указаний теории о разумном направлении экспериментов невозможно движение науки вперед. Развитие теоретических представлений происходит посредством замены одних устаревших теорий другими, более совершенными, которые по-новому, точнее объясняют возросший круг изученных явлений и в то же время сохраняют в себе все зерна истины, имевшиеся в старых теориях.

Цели, которые ставятся при изучении физики в вузах, многообразны. Важнейшая из них состоит в ознакомлении с основными физическими явлениями, их механизмом, закономерностями и практическими приложениями. Этим закладывается физическая основа для изучения последующих общетехнических и специальных дисциплин. Этими главнейшими задачами и определяются выбор основных изучаемых разделов физики и объем их изложения.

То обстоятельство, что изучение физики начинается с изучения механического движения тел, не случайно и обусловлено не только исторической последовательностью развития физики. Несмотря на то, что механическое движение представляет собой самую простую форму движения, к современному его представлению шли долго. Особую роль в становлении классической механики играли исследования И. Ньютона.

Перед формулировкой основных законов механики Ньютон уточняет основные понятия, необходимые для их определения. Одно из основных следствий законов механики гласит: «Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство или движется равномерно и прямолинейно без вращения». В другом месте Ньютон утверждает: «Может оказаться, что в действительности не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих», и, таким образом, он считает, что наблюдаемые нами движения относительны и абсолютного движения не существует. Но он знает также, что ускоренное движение системы отсчета проявляется динамически, вызывая явление инерции.

Ньютон принимает, что в природе существует абсолютный покой, абсолютно неподвижная система отсчета. Это пустое однородное неподвижное пространство атомистов и Евклида - чистое вместилище всех вещей. Существенно, что наряду с абсолютным пространством Ньютон признает и абсолютное время, текущее само по себе, безотносительно к каким-либо процессам. Вот как он определяет абсолютное и относительное время и пространство.

«I. Абсолютное , истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное время различается в астрономии от обыкновенного, солнечного времени, уравнением времени.

Относительное , кажущееся, или обыденное, время - есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год». Наше измерение времени, как несовершенное, повседневное (от зари до зари), так и точное, астрономическое время, дает нам относительное, или обыденное, время, основанное на наблюдаемых нами движениях. Эти движения, даже вращение Земли, могут быть не вполне равномерными, в то время как истинное математическое время течет само по себе абсолютно равномерно. Постигая относительное время, конструируя все более и более точные часы, мы имеем в виду недостижимый идеал, истинное, абсолютное время.

«II. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное пространство есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное: так, например, протяжение пространства подземного воздуха или надземного, определяемых по их положению относительно Земли»

«III. Место есть часть пространства, занимаемого телом, и по отношению к пространству бывает или абсолютным, или относительным»

«IV. Абсолютное движение есть перемещение тела из одного абсолютного его места в другое, относительное - из относительного в относительное же».

Из приведенных определений Ньютона вытекает, что:

1) пространство и время обладают объективной реальностью; это правильно;

2) пространство и время не связаны органически с материей; это неверно. Такой подход к понятиям о пространстве и времени метафизичен. Концепция абсолютного пространства- времени, оторванного от материальных тел и реальных процессов,- метафизична. Ньютон сам упорно стремился преодолеть отмеченную выше метафизичность сделанных им определений пространства и времени. Ньютон видел, что для преодоления метафизичности необходимо установить связь пространства и времени с материей. Но из-за тогдашнего невысокого уровня научных познаний выводы Ньютона, правильные по существу, еще не имели должной широты.

Но, несмотря на это, важно, что основой классической физики были законы, установленные Ньютоном для движения тел в абсолютном евклидовом пространстве. По принципу относительности это пространство представлялось любой системой отсчета, в которой не проявляется ощутимым образом действие инерционных сил. То обстоятельство, что абсолютное пространство не ощущается нашими чувствами, ни в какой мере не поколебало убежденности Ньютона в том, что понятия об абсолютном пространстве и абсолютном времени должны быть положены в основу механики. Объективная реальность абсолютного пространства и абсолютного времени для Ньютона не подлежала сомнению, поэтому и к понятиям «покой» и «равномерность» Ньютон относился, как к понятиям, выражающим объективную реальность, вне зависимости от того, легко или трудно нам распознать эту реальность. Ньютон говорит: «Может оказаться, что в природе не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих Возможно, что не существует в природе такого равномерного движения, которым время, могло бы измеряться с совершенной точностью». Ньютон считает, что эти вопросы должны быть исследованы и изучены. Не останавливаясь ни перед какими трудностями, Ньютон видел задачу механики и физики в «нахождении истинных движений тел по причинам, их производящим, по их проявлениям и по разностям кажущихся движений».

Многие вопросы, возникающие сразу после рождения нового физического понятия, проясняются постепенно, по мере развития физики. Это приводит дальше к расширению и уточнению идей ученых.

Во второй половине XIX в. была создана теория электромагнитного поля, открыты и изучены электромагнитные волны. На этой базе началось бурное развитие радиотехники. Созданная во второй половине XIX века молекулярно-кинетическая теория исходила из положения, что все тела построены из мельчайших частичек, находящихся в непрерывном движении. Эти частички были названы атомами, что по-гречески значит «неделимые». Однако уже в конце XIX века были обнаружены испускаемые атомами еще более мелкие (по массе) частички - отрицательно заряженные электроны. Экспериментальное открытие электрона, радиоактивности, термоэлектронной эмиссии (испускание нагретыми металлами электронов), фотоэффекта (вырывание электронов из металлов под действием света) и других явлений - все это указывало на то, что атом вещества является сложной системой, построенной из более мелких частиц. Перед физикой встала проблема строения атома. И в начале XX века было доказано, что атом имеет ажурное строение, а в центре его расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.

Начало XX столетия ознаменовалось созданием теории относительности, которая стала ведущей теорией движений со скоростями, близкими к скорости света, и явилась основой методов расчета ускорителей заряженных частиц, применяемых в современной ядерной технике. Этот период характеризуется настойчивыми попытками проникнуть во внутреннее строение атомов. Ключом к выяснению строения атомов послужило изучение атомных спектров. Первый разительный успех в объяснении наблюдаемых спектров принесла теория атома, развитая Нильсом Бором в 1913 г. Однако эта теория носила явные черты непоследовательности: наряду с подчинением движения электрона в атоме законам классической механики, она налагала на это движение специальные квантовые ограничения. За эту непоследовательность теории вскоре пришлось расплатиться. После первых успехов в объяснении спектра простейшего атома - водорода - обнаружилась неспособность теории Бора объяснить поведение атомов с двумя и большим числом электронов.

Назрела необходимость создания новой целостной теории атомов. Начало созданию такой теории было положено в 1924 г. смелой гипотезой Луи де Бройля. К тому времени было известно, что свет, будучи волновым процессом, вместе с тем в ряде случаев обнаруживает корпускулярную природу, т. е. ведет себя как поток частиц. Введя представление об испускании света отдельными порциями - квантами, Макс Планк (1858-1947) в 1900 г. решил задачу об излучении абсолютно черного тела. Таким образом, на пороге XX столетия появилось понятие кванта, играющее в современной физике исключительно важную роль и приведшее к созданию квантовой механики.

Де Бройль высказал мысль, что и частицы вещества, в свою очередь, должны обнаруживать при определенных условиях волновые свойства. Гипотеза де Бройля вскоре получила блестящее экспериментальное подтверждение: было доказано, что с частицами вещества связан некий волновой процесс, который должен быть учтен при рассмотрении механики атома. Результатом этого открытия было создание Э. Шредингером и В. Гейзенбергом новой физической теории - волновой или квантовой механики. Квантовая механика достигла поразительных успехов в объяснении атомных процессов и строения вещества. В тех случаях, когда удалось преодолеть, математические трудности, были получены результаты, превосходно согласующиеся с опытом.

Последние 100 лет внесли существенные изменения в положение физики среди других наук о природе. В 1919 г. удалось впервые расщепить атомное ядро и показать сложность его строения. Были открыты многочисленные новые так называемые элементарные частицы (протон, нейтрон, гипероны, мезоны, нейтрино), и было показано, что они способны превращаться друг в друга. Используя современные сверхмощные ускорители ядерных частиц, в 1956 г. удалось получить новые, ранее не наблюдавшиеся и лишь теоретически предсказанные физиками частицы - антипротон, антинейтрон и др.

С каждым таким открытием непрерывно расширялись и углублялись представления о строении вещества и взаимодействии элементарных частиц, и возникала необходимость в создании новых гипотез и развитии новых теорий. Последние годы ознаменовались большими достижениями в области физики элементарных частиц, термоядерного синтеза, квантовой электроники, физики твердого тела и т. д.

Итак, начало XX века ознаменовалось в физике коренной ломкой целого ряда привычных понятий и представлений о строении вещества. Человек все более и более глубоко проникает в сущность окружающего его материального мира.

Толчком к развитию физики, как и всех других наук, послужили практические требования людей. Механика древних египтян и греков возникла непосредственно в связи с теми запросами, которые были поставлены тогдашней строительной и военной техникой. Также под влиянием развивающейся техники и военного дела были сделаны крупные научные открытия конца XVII и начала XVIII столетий.

Основоположник русской физики и химии М. В. Ломоносов сочетал свою научную работу с требованиями практики. Его многочисленные и разнообразные исследования по природе твердых и жидких тел, оптике, метеорологии, атмосферному электричеству были связаны с теми или другими практическими задачами.

В начале XIX столетия применение паровых машин сделало необходимым решение вопроса о наиболее выгодном превращении тепла в механическую работу. Этот вопрос не мог быть решен при узкотехническом подходе. После того как в 1824 г. французский инженер Сади Карно в общем виде рассмотрел проблему о переходе тепла в работу, можно было действительно увеличить коэффициент полезного действия тепловых машин. Одновременно работа Карно послужила фундаментом для возникновения общего учения о передаче и превращении энергии, получившего впоследствии название термодинамики. Таким образом, требования практики приводят к новым физическим открытиям, а эти последние служат базой для дальнейшего развития техники. Нередко, весьма теоретические, и отвлеченные на первый взгляд физические открытия со временем находят самые разнообразные и важные технические применения. Открытие в 1831 г. Фарадеем электромагнитной индукции сделало возможным широкое практическое использование электрических явлений. Открытый в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодический закон не только сыграл исключительную роль в развитии учения об атомах и природе химических явлений, но и является руководящим при решении огромного количества практических задач химии и физики.

В семидесятых годах прошлого столетия Максвелл создал общую теорию электромагнитных процессов. Исходя из этой теории, он пришел к выводу о возможности распространения электромагнитной энергии в виде волн. В 1888 г. Герц экспериментально подтвердил правильность этого вывода Максвелла. Несколькими годами позже открытие Максвелла - Герца было использовано А. С. Поповым для осуществления радиотелеграфии. В свою очередь развитие радиотехники открыло перед физиками новые, исключительно широкие экспериментальные возможности в изучении свойств природы. Теория Максвелла является фундаментом почти всех разделов электротехники и радиотехники

Исследования А. Г. Столетова по «актино-электрическим» явлениям (1888-1889) сыграли существенную роль в выяснении природы фотоэлектрического эффекта, широко применяемого в современной технике (телевидение, автоматика и т. д.).

В настоящее время исключительно важные проблемы, которые способны в корне изменить технику, как, например, непосредственное практическое использование солнечной энергии или получение энергии за счет термоядерных реакций требуют для своего решения дальнейшего глубокого изучения физических явлений. Решение принципиальных проблем физики элементарных частиц, которые имеют тесную связь с проблемой ядерных сил, решение проблемы управляемых термоядерных реакций в настоящее время являются передним краем наступательного фронта физических наук.

Связь физики с другими науками. Физика теснейшим образом связана с философией. Крупнейшие открытия в области физики, такие, как законы сохранения в механике, закон сохранения и превращения энергии, второй закон термодинамики и др., всегда являлись ареной острой борьбы между материализмом и идеализмом. В начале нашего столетия, в связи с потоком открытий современной физики, эта борьба стала особенно ожесточенной. Идеалистически настроенные физики и философы пытались и пытаются поныне использовать конкретные достижения физики, ломку установившихся физических теорий и представлений для «ниспровержения» материализма. Верные философские выводы из научных открытий в области физики всегда подтверждали и подтверждают основные положения диалектического материализма. Поэтому изучение этих открытий и их философское обобщение играют важную роль в формировании подлинно научного мировоззрения.

Последние 100 лет внесли существенные изменения в положение физики среди других наук о природе. В этот период физика развивалась такими темпами и достигла таких результатов, каких не знала ни одна из других естественных наук за всю историю своего существования. Остановимся кратко на связи ядерной физики с некоторыми другими науками.

Астрофизика наших дней исследует много таких проблем, успешное решение которых возможно лишь в том случае, если она будет опираться на достоверные законы физики.

Проблема генерирования энергии в недрах Солнца и других звезд при высоких температурах и проблема эволюции звезд тесно связаны с проблемой термоядерных реакций, протекающих в недрах звезд. Решение проблемы о возрасте космических объектов: метеоритов, Солнца, звезд, Галактики и доступной нам части Вселённой, по-видимому, должно проводиться с учетом периодов распада долгоживущих и «не имеющих родителей» радиоактивных элементов, например таких, как 92 U 238 , 19 K 40 и т.д.

Проблема происхождения космических лучей, проблема «рождения пар» частиц в космических условиях и многие другие также находятся в тесной связи с проблемами ядерной физики.

Геология, геофизика. Решение вопроса об истории Земли тесно связано с исследованиями естественной радиоактивности. Для определения абсолютного возраста Земли и разных ее слоев широко используются радиоактивные методы. Если определить соотношение между количеством радиоактивного элемента (урана) и количеством устойчивых продуктов распада (свинец, гелий) в исследуемой горной породе, то это даст возможность вычислить возраст исследуемой породы.

Тепловая история Земли и вопросы современного теплового состояния ее недр также тесно связаны с проблемами естественной радиоактивности. В настоящее время широко применяется радиометрическая аппаратура при разведке и разработке урановых и ториевых месторождений, в геофизических методах поисков и разведки нефти, угля и других ископаемых.

Археология. Метод изучения радиоактивности предметов нашел применение в определении возраста археологических находок, в. получении важных сведений об историческом прошлом человечества по этим вещественным историческим находкам. Это важное «поручение» - рассказать о прожитых веках - выполняет радиоактивный изотоп углерода 6 С 14 .

Под действием нейтронов космического излучения некоторая часть ядер азота земной атмосферы превращаются в ядра радиоактивного углерода 6 С 14 . На протяжении тысячелетней истории Земли концентрация углерода в атмосфере оставалась практически постоянной. Они входят в состав органических соединений путем усвоения углекислого газа зелеными листьями. Если растение, например дерево, погибает и перестает поглощать соединения углерода из атмосферы, то содержание радиоактивного углерода постепенно уменьшается, так как он распадается с периодом полураспада 5568 лет. Через 5568 лет активность (количество) углерода 6 С 14 в угле уменьшается в два раза и т. д.

Химия. В результате развития ядерной физики были искусственно получены новые заурановые элементы, которые не встречаются в природе. Большим и важным разделом современной химии является радиохимия, которая изучает химические и физико-химические свойства радиоактивных элементов, разрабатывает методы выделения и концентрирования радиоактивных изотопов.

Медицина. Естественные и искусственно полученные радиоактивные изотопы нашли широкое применение в медицине для диагностики и лечения некоторых заболеваний. Методом меченых атомов установлено, что кальций входит не только в кости, но и в нервную систему, цинк играет важную роль в образовании инсулина и в деятельности белых кровяных шариков. Радиоактивный фосфор используется для диагностики заболеваний крови, опухоли печени, заболеваний кожи.

Границы между физикой и некоторыми" другими естественными науками не могут быть установлены резко. Существуют обширные пограничные области между физикой и химией, возникли даже особые науки: физическая химия и химическая физика. Области знания, где физические методы применяются для изучения более или менее частных вопросов, также соединяются в особые науки: так возникла например, астрофизика, изучающая физические явления, в небе, и геофизика, изучающая физические протекающие в атмосфере Земли и в земной коре. Физические открытия часто давали толчок к развитию других наук. Изобретение микроскопа и телескопа ускорило развитие биологии и астрономии. Открытый физиками спектральный анализ стал одним из основных методов, астрофизики и т. д.

Известно, что развитие науки и техники определяется экономическими потребностями общества. Технический уровень производства в значительной степени зависит от состояния науки. История развития физики и техники показывает, какое большое значение имели открытия в физике для создания и развития новых отраслей техники. Физика явилась фундаментом, на котором выросли такие новые области техники, как электро- и радиотехника, электронная и вычислительная техника, приборостроение, ядерная техника и др. Физики вооружают промышленность принципиально новыми приборами и установками, создают основы новых, более совершенных методов производства. Быстро развилась физика полупроводников, почти немедленно получившая практическое приложение в технике полупроводниковых устройств и приборов.

Краткий методический анализ разделов физики. Механика. В современной физике основные понятия классической механики не утратили своего значения, а получили лишь дальнейшее развитие, обобщение и критическую оценку, с точки зрения пределов их применимости. При изложении физических основ механики следует избегать абстрактности механических представлений, максимально сближая теорию с реальными физическими явлениями и конкретной природой действующих сил. Ясная физическая и философская интерпретация представлений классической механики в современной физике должна явиться основным руководящим началом при изучении этого раздела программы курса физики.

В начале изложения кинематики точки и поступательного движения твердого тела следует остановиться на тех представлениях о свойствах пространства и времени, которые лежат в основе классической (ньютоновской) механики. В классической механике пространство и время рассматриваются как объективные формы существования материи, но в отрыве друг от друга и от движения материальных тел. Ньютон полагал, что тела и их движение не влияют ни на ход времени, одинаковый во всех инерциальных системах отсчета, ни на свойства пространства, описываемые геометрией Евклида. В ньютоновской механике признается возможность мгновенной передачи взаимодействий между телами.

При изложении кинематики необходимо использовать математический аппарат векторной алгебры и дифференциального исчисления. Следует получить выражения для касательной и нормальной составляющих ускорения материальной точки в криволинейном движении и ввести понятие о радиусе кривизны траектории (на примере плоской траектории).

Колебания здесь рассматриваются, как один из видов движения, наравне с прямолинейным и вращательным движениями. Для колебательного движения, как вида движения, необходимо ввести все кинематические характеристики – скорость, ускорение и т.д. Такое изложение приводит к значительной экономии времени и на математической стороне дела и в то же время позволяет наглядно сравнивать физические процессы, происходящие при соответствующих движениях. Это способствует выработке у студентов единого подхода к движениям различной физической природы. Везде, где возможно, следует использовать графический метод представления гармонического колебания с помощью вращающегося вектора. Нужно разъяснить студентам, что любые колебания линейной системы всегда можно представить в виде суперпозиции одновременно совершающихся гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и начальными фазами. Рассматривая резонанс при вынужденных колебаниях, необходимо обсудить это явление с энергетической точки зрения.

Изложение динамики материальной точки и поступательного движения твердого тела должно быть развитием и углублением соответствующего раздела курса физики средней школы. Внимание нужно сосредоточить на таких вопросах, как закон движения центра масс механической системы, закон сохранения импульса и условия сохранения проекции импульса на ось, работа силы, ее выражение через криволинейный интеграл и условие независимости работы от формы траектории, связь кинетической энергии механической системы с работой сил, приложенных к этой системе. Особенно тщательно и неторопливо следует излагать вопросы о поле как форме материи, осуществляющей взаимодействие между частицами вещества или телами, о потенциальной энергии материальной точки во внешнем поле (в частности, нужно рассмотреть энергию в поле центральных сил) и о законе сохранения механической энергии.

Кинематические характеристики вращательного движения твердого тела и их связь с линейными характеристиками целесообразно рассматривать непосредственно перед динамикой вращательного движения. Имеет смысл ввести понятие о моменте силы и моментеимпульса механической системы относительно неподвижной точки и оси.

Законы сохранения импульса, момента импульса и механической энергии обычно выводят, основываясь на законах Ньютона. Поэтому очень важно обратить внимание студентов па то, что в отличие от законов Ньютона и построенной на них классической механики, имеющих ограниченные области применимости, законы сохранения являются универсальными законами, которые отражают фундаментальные свойства симметрии пространства и времени. Для иллюстрации универсальности законов сохранения и эффективности их использования при решении реальных физических задач можно применить эти законы к расчету удара двух тел.

При изучении темы о неинерциальных системах отсчета и силах инерции нужно обратить внимание студентов на то, что два основных положения ньютоновской механики, согласно которым ускорение всегда вызывается силой, а сила всегда обусловлена взаимодействием между телами, не выполняются одновременно в системах отсчета, движущихся с ускорением. Полезно обсудить вопрос о том, являются ли силы инерции «реальными» или «фиктивными».

Молекулярная физика и термодинамики. В начале изложения этого. раздела курса необходимо разъяснить студентам два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода исследования физических свойств макроскопических систем - статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй - термодинамики. Нужно отметить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от свойств каждой отдельной молекулы. Даже если, как это делается в классической статистической физике, базирующейся на механической картине мира, можно считать, что каждая молекула движется по законам ньютоновской механики, совокупное движение огромного коллектива молекул обладает специфическими закономерностями. Свойства макроскопической системы, в конечном счете, определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и средними значениями динамических характеристик этих частиц.

Говоря о термодинамическом методе, необходимо четко сформулировать определения таких основных понятий термодинамики, как термодинамическая система, термодинамические параметры (параметры состояния), равновесное состояние, уравнение состояния, термодинамический процесс, внутренняя энергия и т. д. Следует подчеркнуть, что термодинамика, в отличие от молекулярной физики, не связана с какой-либо конкретной физической картиноймира. Она основывается на нескольких универсальных принципах - началах термодинамики, надежно подтвержденных экспериментами. В этом, с одной стороны, сила термодинамического метода, пригодного дляанализасамых различных физических систем, а с другой - его слабость. Например, методами термодинамики нельзя вывести, уравнениесостояния системы, нельзя обосновать существование флуктуациии т.д.

Переходя к рассмотрению молекулярно-кинетической теории идеального газа, необходимо специально остановиться на той роли, которую играет в молекулярной физике модель рассматриваемой системы. Следует подчеркнуть, что выбор этой модели зависит не только от специфических особенностей системы, но и от того, какие ее свойства исследуются. Например, при расчете давления газа на стенки сосуда можно, в первом приближении, принять молекулы газа как упругие шарики малого размера, беспорядочно движущиеся в сосуде и сталкивающиеся только с его стенками. В то же время для объяснения процессов установления равновесного распределения молекул газа, а также закономерностей явлений переноса совершенно необходимо учитывать столкновения молекул друг с другом, хотя при этом по-прежнему можно пренебрегать их собственным объемом. В этой связи весьма поучительно сопоставить на лекции значения суммарного собственного объема и суммарной площади поверхности всех молекул газа, находящихся в сосуде, соответственно с объемом сосуда и площадью поверхности его стенок. Наконец, в молекулярно-кинетической теории теплоемкости газа необходимо уже учитывать внутреннюю структуру молекул. Для объяснения отличия свойств реальных и идеальных газов необходимо дальнейшее уточнение модели газа с тем, чтобы она учитывала действие сил взаимного притяжения и отталкивания молекул, как это сделано, например, в модели газа Ван-дер-Ваальса.

Следует достаточно обстоятельно рассмотреть такие вопросы, как молекулярно-кинетическая теория идеальных газов и ее ограниченность, границы применимости закона равнораспределения энергии, законы распределения Максвелла и Больцмана.

Первое начало термодинамики целесообразно сформулировать и записать для малого изменения состояния закрытой системы, т. е. системы, обменивающейся энергией с внешней средой только путем теплообмена и совершения работы. Необходимо разъяснить студентам, что внутренняя энергия в отличие от теплоты и работы является функцией состояния. Используя выражение для внутренней энергии идеального газа, полученное от молекулярно-кинетических представлений, следует записать уравнение первого начала термодинамики для идеального газа, а затем применить этот закон к расчету трех изопроцессов и адиабатного процесса идеальных газов. В заключение можно рассмотреть политропный процесс. Очень полезно приучать студентов к изображению и распознаванию всевозможных политропных процессов в различных термодинамических диаграммах. В особой тщательности изложения нуждается второе начало термодинамики и его статистическое толкование, а также понятие энтропии. Очень полезно привести несколько различных формулировок второго начала термодинамики и показать, что они полностью эквивалентны. Вряд ли целесообразно излагать доказательство теоремы Карно о независимости КПД обратимого цикла Карно от природы рабочего тела. Следует найти выражение для энтропии идеального газа и показать на этом примере, что энтропия в отличие от количества теплоты является функцией состояния.

Электричество и магнетизм. В электростатике, а затем в электродинамике впервые в курсе физики более или менее серьезно с соответствующим математическим аппаратом рассматривается теория поля. Следует обратить внимание студентов на связь теоремы Остроградского - Гаусса с законом Кулона и геометрическими свойствами пространства. Под этим же углом зрения целесообразно подходить к вопросу о распределении зарядов в проводниках, находящихся в электростатическом поле. Излагая закон сохранения электрического заряда, нужно вновь подчеркнуть роль и значение законов сохранения в физике. Не следует увлекаться расчетами сложных полей методом суперпозиции. Рекомендуется обратить основное внимание на физический смысл потенциала и его связь с напряженностью поля, на графическое представление и анализ зависимостей напряженности и потенциала от координат для электростатических полей, создаваемых простейшими симметричными системами зарядов.

Особого внимания заслуживает круг вопросов, связанных с расчетом электростатического поля в диэлектрических средах. Необходимо ввести классификацию зарядов на свободные и связанные, рассмотреть механизм и рассчитать поляризацию диэлектриков с неполярными и полярными молекулами. Электрическое смещение целесообразно ввести в связи с доказательством теоремы Остроградского - Гаусса для электростатического поля в диэлектрической среде (обычно это делают на примере поля в диэлектрической среде с неполярными молекулами). Далее рекомендуется получить условия, которым удовлетворяют векторы напряженности поля и электрического смещения на границе раздела двух диэлектрических сред, и рассмотреть примеры расчета напряженности и потенциала электростатического поля в диэлектрике. Можно ограничиться качественным феноменологическим описанием свойств сегнетоэлектриков.

При изложении вопроса об энергии заряженных проводников и конденсатора нужно указать, что, оставаясь в рамках электростатики, нельзя однозначно решить вопрос о локализации этой энергии. Целесообразно везде, где возможно, пользоваться законом сохранения и превращения энергии.

Раздел курса о постоянном токе не следует излишне растягивать на лекциях. При изложении классической электронной теории проводимости металлов нужно рассказать как о достижениях этой теории, так и о трудностях. В связи с законом Ома необходимо дать четкое разграничение таких понятий, как разность потенциалов, электродвижущая сила и электрическое напряжение. Следует также ввести точечные электрические характеристики и сформулировать законы постоянного тока в дифференциальной форме.

В качестве основной характеристики магнитного поля следует вводить магнитную индукцию, основываясь на силовом действии магнитного поля либо на небольшой элемент проводника с током, либо на небольшой замкнутый контур с током. Напряженность магнитного поля целесообразно вводить значительно позднее при изучении магнитного поля в веществе. Не следует увлекаться сложными расчетами магнитных полей на основе закона Био- Савара - Лапласа. Важно подчеркнуть, что для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции. Закон полного тока для поля в вакууме и теорему Остроградского - Гаусса достаточно показать на примере магнитного поля прямолинейного проводника с током.

Рассматривая действие магнитного поля на движущийся заряд, нужно уделить особое внимание вопросу о релятивистском толковании магнитного взаимодействия, а также анализу закономерностей движения заряженных частиц в магнитном поле и практическому использованию этих закономерностей в ускорителях, МГД-генераторах, масс-спектрометрах и т. д.

Закон электромагнитной индукции Фарадея - Максвелла достаточно рассмотреть качественно, на основе опытов. Во втором случае необходимо остановиться на том, за счет какой энергии совершается работа индукционного тока. Весьма поучительно обсудить возникновение ЭДС электромагнитной индукции и индукционного тока в неподвижном проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле.

При рассмотрении магнитных свойств вещества нужно остановиться на гипотезе молекулярных токов Ампера, а также ввести понятие макро- и микротоков и намагниченности. Рассматривая элементарную теорию диа- и парамагнетизма, следует указать на невозможность всякой классической теории магнитных свойств вещества. Напряженность магнитного поля целесообразно ввести в связи с обобщением закона полного тока на магнитное поле в веществе (обычно это делают на примере поля в диамагнитной среде). Затем рекомендуется получить условия, которым удовлетворяют магнитная индукция и напряженность магнитного поля на границе раздела двух сред. Изложение свойств ферромагнетиков должно носить феноменологический характер.

В заключение нужно рассмотреть основы теории Максвелла для электромагнитного поля. При этом особое внимание следует обратить на физический смысл тех обобщений экспериментально установленных законов, которые были сделаны Максвеллом. Необходимо подчеркнуть относительный характер электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, т. е. их зависимость от выбора инерциальной системы отсчета.

Оптика и основы ядерной физики. Волновая оптика излагается как часть общего учения о распространении волн. Следует подчеркнуть общность явлений интерференции и дифракции волн любой природы. Изложение этих явлений должно подготовить студента к пониманию основ квантовой механики. Наряду с общими волновыми свойствами нужно отметить специфические особенности световых волн и их практические приложения. Когерентность и монохроматичность должны быть связаны с конечной длительностью свечения отдельного атома. Расчет интерференции многих волн полезно вести с помощью графического метода. Следует сопоставить способы наблюдения линий равного наклона и равной толщины.

Необходимо четко сформулировать условия наблюдения дифракции. При изложении принципа Гюйгенса - Френеля его нужно рассматривать как расчетный прием, заменяющий строгое, но очень трудное решение волнового уравнения. При рассмотрении излучения Вавилова - Черенкова нужно указать, что это классическое явление можно истолковывать на основе представлений об интерференции света. Объяснение двойного лучепреломления надо проводить на основе электромагнитных представлений и с учетом анизотропии электрических свойств кристаллов. Необходимо подчеркнуть значение поляризационных эффектов для экспериментального доказательства поперечности световых волн, а также обратить внимание на их практическое применение.

Проблема теплового излучения - важный этап в формировании научного мировоззрения студентов, так как с теорией равновесного излучения абсолютно черного тела связан переход от классической физики к квантовой. Важно подчеркнуть согласие классической теории с опытом в области малых частот и расхождение в области больших частот. Необходимо рассмотреть гипотезу Планка о квантовании энергии осцилляторов. Полный вывод средней энергии осциллятора и формулы Планка на основе этой гипотезы приводить не обязательно. Необходимо показать, что при малых частотах она переходит в классическую формулу Рэлея - Джинса.

После анализа трудностей классической физики в истолковании законов внешнего фотоэффекта нужно остановиться на гипотезе Эйнштейна о «световых квантах», позднее названных фотонами, т. е. о дискретной структуре излучения.

При изложении светового давления необходимо остановиться на опытах П. Н. Лебедева, являющихся образцом экспериментального искусства и сыгравших большую роль в утверждении электромагнитной теории света. Следует качественно пояснить.возникновение светового давления с классической (волновой) точки зрения и вывести формулу для давления на основе квантовых представлений. Эффект Комптона нужно рассматривать как наиболее полное и яркое представление корпускулярных свойств излучения. Он подтверждает универсальный характер законов сохранения.

Анализ двойственности свойств света должен подготовить студентов к восприятию двойственности свойств вещества. Важно подчеркнуть статистический характер попадания фотонов в отдельные точки экрана. Обсуждая опыты по дифракции электронов, нужно подчеркнуть их значение как доказательство существования у частиц вещества волновых свойств. Соотношение неопределенностей следует рассматривать в связи с корпускулярно-волновым дуализмом свойств материи. Следует подчеркнуть физический смысл соотношения неопределенностей как квантового ограничения применимости понятий классической механики. Затем необходимо рассмотреть соотношение неопределенностей для энергии и времени. В заключение нужно указать, что из соотношения неопределенностей вытекает необходимость описания состояния микрообъекта с помощью волновой функции, и разъяснить статистический смысл волновой функции частицы.

Физика атомного ядра. Говоря о составе ядра и его характеристиках, целесообразно, если позволяет время, начать с характеристики экспериментальных методов определения массы, линейных размеров, момента импульса и магнитного момента ядер атомов. Очень важно привести аргументацию невозможности существования электронов в ядрах атомов. Говоря о составе ядра и взаимодействии нуклонов в ядре, нужно рассмотреть свойства ядерных сил и остановиться на их обменной природе. Дефект массы должен трактоваться как разность между массой атома данного изотопа и его массовым числом, т. е. числом нуклонов в ядре. Надо указать на существование зависимости удельной энергии связи ядер (энергии связи, отнесенной к одному нуклону) от массового числа.

Рассматривая α-распад ядер, следует остановиться на квантовом механизме этого явления, служащего примером проявления туннельного эффекта. Важно обратить внимание студентов на дискретный характер энергетического спектра α-частиц и γ-излучения, свидетельствующий о квантовании энергии ядер. Необходимо специально остановиться на тех трудностях, которые возникли в согласовании закономерностей β-распада с законами сохранения энергии и момента импульса, и на том, что выход из этих трудностей был найден путем введения гипотезы о существовании нейтрино.

Рассмотрение ядерных реакций целесообразно начать с описания опыта Резерфорда и открытия искусственной радиоактивности. В этой связи нужно кратко остановиться на явлениях радиоактивности ядер, а также на явлении электронного захвата. Следует подчеркнуть, что во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда (зарядового числа) и массы (массового числа). Особое внимание нужно уделить реакции деления тяжелых ядер и ее энергетическому балансу. Для обоснования реакции деления целесообразно использовать капельную модель ядра Н. Бора-Л И. Френкеля. В связи с рассмотрением ядерных реакций синтеза следует остановиться на проблеме осуществления управляемых термоядерных реакций. Необходимо подчеркнуть огромное значение этой проблемы, так как ее решение откроет человечеству неисчерпаемый источник энергии.

В заключение нужно остановиться на четырех фундаментальных взаимодействиях, на классификации, основных свойствах и взаимных превращениях элементарных частиц, избегая при этом излишней перегрузки памяти студентов большим количеством фактических данных. Следует отметить, что современные представления физики по этим вопросам еще далеки от завершенности.

Механика

Формулы кинематики:

Кинематика

Механическое движение

Механическим движением называется изменение положения тела (в пространстве) относительно других тел (с течением времени).

Относительность движения. Система отсчета

Чтобы описать механическое движение тела (точки), нужно знать его координаты в любой момент времени. Для определения координат следует выбрать ­тело отсчета и связать с нимсистему координат . Часто телом отсчета служит Земля, с которой связывается прямоугольная декартова система координат. Для определения положения точки в любой момент времени необходимо также задать начало отсчета времени.

Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для измерения времени образуют систему отсчета , относительно которой рассматривается движение тела.

Материальная точка

Тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, называют материальной точкой .

Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстояниями от него до других тел.

Траектория, путь, перемещение

Траекторией движения называется линия, вдоль которой движется тело. Длина траектории называетсяпройденным путем .Путь – скалярная физическая величина, может быть только положительным.

Перемещением называется вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории.

Движение тела, при котором все его точки в данный момент времени движутся одинаково, называется поступательным движением . Для описания поступательного движения тела достаточно выбрать одну точку и описать ее движение.

Движение, при котором траектории всех точек тела являются окружностями с центрами на одной прямой и все плоскости окружностей перпендикулярны этой прямой, называется вращательным движением.

Метр и секунда

Чтобы определить координаты тела, необходимо уметь измерять расстояние на прямой между двумя точками. Любой процесс измерения физической величины заключается в сравнении измеряемой величины с единицей измерения этой величины.

Единицей измерения длины в Международной системе единиц (СИ) является метр . Метр равен примерно 1/40 000 000 части земного меридиана. По современному представлению метр – это расстояние, которое свет проходит в пустоте за 1/299 792 458 долю секунды.

Для измерения времени выбирается какой-нибудь периодически повторяющийся процесс. Единицей измерения времени в СИ принята секунда . Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения атома цезия при переходе между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния.

В СИ длина и время приняты за независимые от других величины. Подобные величины называются основными .

Мгновенная скорость

Для количественной характеристики процесса движения тела вводится понятие скорости движения.

Мгновенной скоростью поступательного движения тела в момент времениtназывается отношение очень малого перемещенияsк малому промежутку времениt, за который произошло это перемещение:

;
.

Мгновенная скорость – векторная величина. Мгновенная скорость перемещения всегда направлена по касательной к траектории в сторону движения тела.

Единицей скорости является 1 м/с. Метр в секунду равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой точка за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.

Методические указания содержат рабочую программу разделов «Классическая механика» и «Молекулярная физика и термодинамика» дисциплины «Физика» и краткое теоретическое изложение основных вопросов этих разделов.

Приведены определения физических величин, их единицы измерения в системе СИ, законы классической механики, молекулярной физики и термодинамики.

предназначены для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения.

ВВЕДЕНИЕ

Механика, молекулярная физика и термодинамика традиционно являются первыми разделами курса физики, с которых студенты начинают изучать этот интереснейший предмет в ВУЗах.

Механика – раздел физики, изучающий закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение есть во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Эти формы движения изучаются другими науками (химией, биологией и др.).

Молекулярная физика и термодинамика изучает тепловые явления, физические законы, описывающие такие явления, а также закономерности, присущие большому количеству частиц (в отличие от механики, в которой изучается движение одной-двух частиц)

В основных учебных пособиях вопросы физики излагаются подробно, зачастую с громоздкими математическими выкладками, что существенно затрудняет самостоятельную работу студентов.

В методических указаниях даны рабочая программа разделов «Механика» и «Молекулярная физика и термодинамика», определения физических понятий, кратко излагаются основные физические законы и закономерности названных разделов физики, приводится запись этих законов в математической форме.

В разделе «Механика» рассматриваются кинематика и динамика материальной точки, кинематика и динамика вращения твердого тела вокруг неподвижной оси и законы сохранения.

В разделе «Статистическая физика и термодинамика» рассматриваются газовые законы, три закона термодинамики и важнейшие статистические закономерности молекулярной физики: распределение Максвелла-Больцмана и статистический смысл энтропии.

Для изучения физики необходимы знания из математики: элементов векторной алгебры (проекция вектора на ось, скалярное и векторное произведение и т. п.), дифференциального и интегрального исчисления (вычисление простейших производных и нахождение первообразных).

В методических указаниях из-за ограничений по объему издания не отражен экспериментальный материал.

Данные методические указания помогут студентам в самостоятельном изучении разделов курса физики в период экзаменационной сессии.

1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИКА»

КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

Пространство. Время. Движение. Относительность механического движения. Система отсчета. Материальная точка (частица). Радиус-вектор. Траектория. Длина пути и перемещение. Скорость и ускорение.

Прямолинейное и криволинейное движение частицы. Тангенциальное (касательное) и нормальное (центростремительное) ускорения. Кинематические уравнения равномерного, равноускоренного и неравномерного движения. Длина пути как определенный интеграл от модуля скорости.

Инерция. Инерциальные системы отсчета. Преобразования Галилея. Сложение скоростей и принцип относительности в классической механике.

Взаимодействие тел. Сила. Инертность. Масса. Законы Ньютона.

Силы в механике: гравитационная, тяжести, вес, упругости, трения. Внутренние и внешние силы. Движение тела под действием нескольких сил. Равнодействующая. Основное уравнение динамики материальной точки (частицы).

Абсолютно твердое тело (АТТ). Центр инерции (центр масс) АТТ и закон его движения. Поступательное и вращательное движение АТТ. Система центра инерции. Вращение АТТ вокруг неподвижной оси.

Угловое перемещение, угловая скорость и угловое ускорение. Кинематические уравнения равномерного, равноускоренного и неравномерного вращательного движения АТТ вокруг неподвижной оси. Связь между кинематическими характеристиками поступательного и вращательного движения.

Момент силы. Плечо силы. Момент импульса (момент количества движения, кинетический момент). Момент инерции. Теорема Штейнера. Основное уравнение динамики вращательного движения АТТ вокруг неподвижной оси.

Произвольное движение АТТ. Мгновенная ось вращения. Статика. Условия равновесия АТТ.

Механическая работа, мощность. Работа постоянной и переменной силы. Работа момента силы при вращательном движении.

Консервативные силы. Работа консервативной силы. Потенциальная энергия. Кинетическая энергия. Теорема об изменении кинетической энергии. Полная механическая энергия системы частиц. Закон сохранения энергии в механике. Диссипация энергии. Общефизический закон сохранения энергии.

Импульс (количество движения) тела. Импульс системы тел. Закон сохранения импульса.

Упругое и неупругое столкновение частиц.

Момент импульса системы тел. Закон сохранения момента импульса.

Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Макроскопические системы. Термодинамические параметры. Равновесные состояния и процессы. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона). Закон Дальтона. Изопроцессы и их изображение на термодинамических диаграммах.

Средняя энергия молекулы. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул. Внутренняя энергия идеального газа. Работа газа при изменении его объема. Количество теплоты. Первое начало термодинамики.

Адиабатный процесс. Приведенная теплота. Энтропия. Вычисление энтропии.

Теплоемкость многоатомных газов. Экспериментальная зависимость теплоемкости газа от температуры. Недостаточность классической теории теплоемкостей.

Циклические процессы. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Цикл Карно.

Микросостояния макросистемы. Статистический вес макросостояния. Статистический смысл энтропии. Плотность вероятности. Распределение Максвелла для молекул идеального газа по скоростям. Распределение Больцмана. Барометрическая формула.

Средняя длина свободного пробега молекул, эффективный диаметр молекул. Неравновесные системы. Явления переноса, молекулярно-кинетическая теория этих явлений.

Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики и его статистический смысл. « Тепловая смерть Вселенной ». Теорема Нернста.

2. Кинематика и динамика материальной точки

Всякое движение относительно, поэтому для рассмотрения движения тел нужна система отсчета – это набор тел, связанная с ним система координат (чаще декартова) и прибор для отсчета времени (часы).

Наиболее простой и удобной является инерциальная система отсчета (ИСО), в которой тело, не испытывающее внешнего воздействия со стороны других тел, либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно, т. е. по инерции.

Любое сложное движение твердого тела можно представить в виде суммы двух движений: поступательного и вращательного.

Поступательное движение твердого тела – это такое движение, при котором любая прямая, проведенная через две произвольные точки тела, остается при движении параллельной самой себе. При таком движении все точки тела движутся одинаково, поэтому достаточно описать движение лишь одной точки тела, например центра инерции (центра масс) тела. Для этого можно воспользоваться законами движения материальной точки.

Вращательным движением твердого тела вокруг неподвижной оси называется такое движение, при котором все точки тела движутся по окружностям с центрами, лежащими на оси вращения.

Материальная точка (частица) – это модель физического тела, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием, на которое это тело перемещается или на котором оно взаимодействует с другими телами.

Основными кинематическими характеристиками материальной точки являются перемещение , скорость и ускорение .

Перемещение – это направленный отрезок (вектор), проведенный из начального положения материальной точки в конечное (рис. 1):

где  радиус-вектор частицы – вектор, проведенный из начала координат в точку, в которой находится частица в данный момент времени;

х , у , z – проекции перемещения на координатные оси;

– орт-векторы декартовой системы координат.

В системе СИ перемещение измеряется в метрах (м).

Быстроту движения материальной точки характеризует скорость.

Скорость – векторная физическая величина, равная перемещению материальной точки за единицу времени (или первая производная от радиус-вектора материальной точки по времени):

В проекциях на координатные оси формула (2) имеет вид:

Вектор направлен в сторону элементарного перемещения () по касательной к траектории движения. В системе СИ скорость измеряется в метрах в секунду (м/с).

Для нахождения перемещения материальной точки по известной скорости необходимо вычислить интеграл:

(3)

Если = const, то частица движется равномерно прямолинейно, например, вдоль оси Ох . Тогда

(4)

т. е. частица за равные промежутки времени перемещается на одинаковое расстояние.

Если  const , то частица движется с ускорением.

Ускорение – векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости и равная изменению скорости за единицу времени (или первая производная от скорости по времени):

В проекциях на координатные оси уравнение (5) имеет вид:

(5а)