Б А К А Л А В Р И А Т

Т.И. ТрофИмова

ФИЗИКА

краткий курс

Рекомендовано ФГАОУ ВПО

«Московский физико-технический институт

(государственный университет)»

в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Регистрационный номер рецензии № 033 от 28.02.2013 ФГАУ «ФИРО»

КНОРУС • МОСКВА • 2015

УДК 53(075.8)

ББК 22.3я73

Т76

автор Т.И. Трофимова, профессор МИЭМ НИУ «Высшая школа экономики»

Трофимова Т.И.

Т76 Физика. Краткий курс : учебное пособие / Т.И. Трофимова. — М. : КНОРУС, 2015. — 272 с. — (Бакалавриат).

ISBN 978-5-406-02576-5 Рассмотрены физические основы классической механики, молекулярной физики и термодинамики, электростатика, постоянный ток и электромагнетизм, колебания, волновая и квантовая оптика, элементы атомного ядра и элементарных частиц. Небольшой объем достигнут с помощью тщательного отбора, лаконичного и конкретного изложения материала без громоздких математических выкладок. Основное внимание уделено физической сущности явлений и описывающих их понятий и законов, а также преемственности современной и классической физики.

Соответствует действующему Федеральному государственному образовательному стандарту высшего образования нового поколения.

Для студентов бакалавриата высших учебных заведений. Может быть полезно для обучающихся в колледжах, техникумах, а также преподавателей в качестве опорных конспектов.

УДК 53(075.8) ББК 22.3я Трофимова Таисия Ивановна фИзИКа. КраТКИй КУрс Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 16509 от 18.06.2013.

Изд. № 4719. Подписано в печать 28.02.2014. Формат 70 100/16.

Гарнитура «News GothicC». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 22,1. Уч.-изд. л. 15,0. Тираж 700 экз. Заказ № ООО «КноРус».

117218, г. Москва, ул. Кедрова, д. 14, корп. 2.

Тел.: 8-495-741-46-28.

Email: [email protected] http://www.knorus.ru Отпечатано в филиале «Чеховский Печатный Двор»

ОАО «Первая Образцовая типография».

142300, Московская область, г. Чехов, ул. Полиграфистов, д. 1.

© Трофимова Т.И., ISBN 978-5-406-02576-5 © ООО «КноРус», ПредИсловИе В учреждениях высшего профессионального образования Российской Федерации, в том числе технических, введена двухуровневая система обучения, первой (базовой) из которых является бакалавриат. Естественно, что процесс обучения в вузе должен начинаться с основных (базовых) дисциплин. Физика, несомненно, относится к таким дисциплинам.

Актуальность данного учебного пособия состоит в том, что бакалаврам необходим краткий курс, который был бы дополнением к лекциям, и не только. Такой курс поможет студентам понять и осмыслить основные положения физики, найти и повторить законы и понятия, восстановить в памяти необходимую информацию, а при желании вновь вернуться к выводам формул или обоснованиям законов и явлений, которые сопровождают весь материал. Книга будет полезна при подготовке к экзаменам, семинарам и контрольным работам.

В пособии рассмотрены физические основы классической механики, молекулярной физики и термодинамики, электростатика, постоянный ток и электромагнетизм, колебания (механические и электромагнитные), волновая и квантовая оптика, элементы атомного ядра и элементарных частиц. Материал изложен так, что при необходимости некоторые вопросы могут быть безболезненно исключены.

Определение единиц физических величин, а также уравнения, их определяющие, вынесены в приложение.

Небольшой объем достигнут с помощью тщательного отбора, лаконичного и конкретного изложения материала, без громоздких математических выкладок.

Основное внимание уделено физической сущности явлений и описывающих их понятий и законов, а также преемственности современной и классической физики.

Данный курс предназначен для студентов, изучающих физику в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта для бакалавров.

Учебное пособие может быть полезно для обучающихся в колледжах, техникумах, а также преподавателей в качестве опорных конспектов.

Пожелания и замечания по содержанию данного пособия просьба направлять по адресу [email protected].

Физика Изучает общие свойства и законы движения вещества и поля (формулировка академика А. Ф. Иоффе).

Материя Поле, наряду с веществом, — форма существования материи. Взаимодействие осуществляется посредством поля, например, гравитационного, электромагнитного, поля ядерных сил.

нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений. Важнейшим свойством материи и формой ее Движение это любые изменения материи — от перемещения до мышления.

Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют в других биологической. Поэтому они, будучи наиболее простыми, в то же время являются наиболее общими Связь физики:

• с естественными Теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочайнауками ряд новых смежных дисциплин: астрофизика, геофизика, физическая химия, биофизика и др.

• с техникой 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, экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика — база для создания новых отраслей техники (электронная техника, ядерная • философией Такие крупные открытия в области физики, как, например, закон сохранения и превращения энергии, являлись ареной острой борьбы различных подходов в философии. Философское обобщение научных открытий в области физики играет большую роль в формировании научного мировоззрения.

Предисловие

Введение

Физика и другие науки

Структура механики

Глава 1. Основы кинематики

Модели в механике

Система отсчета. Виды движения твердого тела

Траектория, длина пути, вектор перемещения

Скорость при поступательном движении

Ускорение и его составляющие............ 10 Центральный абсолютно неупругий Кинематика вращательного движения твердого тела

тельного движения

Первый закон Ньютона

Масса, сила и импульс

Третий закон Ньютона

Преобразования координат Галилея.

Механический принцип относительности

Сила упругости и сила трения.............. Глава 3. Работа и механическая энер- Пружинный маятник

гия

Энергия, работа, мощность..................20 Физический маятник. ГармоничеКинетическая и потенциальная ский осциллятор

энергия

Консервативные силы и потенциаль- амплитуды. Сложение одинаково наная энергия

ных колебаний

Описание свободных затухающих колебаний

Описание вынужденных колебаний.... 47 Вычисление и графическое изображение работы газа при изменении Глава 8. Элементы релятивистской механики

Постулаты специальной (частной) Применение первого начала термотеории относительности

Преобразования Лоренца

Следствия из преобразований ЛоГлава 11. Второе начало термодинаренца

Основной закон релятивистской динамики

Энергия в релятивистской динамике...54 Энтропия

Раздел II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА Глава 9. Основы молекулярнокинетической теории идеальных газов

Статистический метод в молекулярГлава 12. Электростатика

ной физике

Основные понятия молекулярнозаряда

кинетической теории (MKT)................ Температура. Температурные шкалы... Идеальный газ и его законы................. Уравнение Клапейрона — Менделеева

кинетической теории (MKT)................ распределении молекул идеального газа по скоростям

Барометрическая формула. РаспреПотенциальная энергия заряда.

деление Больцмана

тверждающие MKT

переноса

Глава 10. Первое начало термодина- поля в диэлектрике

мики

Основные понятия

Внутренняя энергия. Число степеней свободы

Электроемкость. Конденсаторы..........98 Индуктивность контура. Самоиндукция

Энергия электростатического поля... ток

Характеристики электрического Глава 16. Элементы теории Максвелтока

сила и напряжение

Ома для однородного участка цепи.... Работа и мощность тока. Обобщен- Глава 17. Электромагнитные колебаный закон Ома

Правила Кирхгофа для разветвлен- Свободные колебания в идеализироных цепей

Магнитная индукция. Линии магнитной индукции

Магнитное поле токов

раллельных токов

Движение заряженных частиц в магнитном поле

Циркуляция вектора B в вакууме........

ОПТИКА

Магнитное поле соленоида и тороида Поток вектора магнитной индукции. Глава 18. Волны

Теорема Гаусса для поля B

Намагниченность. Магнитное поле описание

в веществе

Теорема о циркуляции векторов B и H

ромагнетики

Глава 15. Электромагнитная индукВолновое уравнение для электромагция

Опыты Фарадея

Закон электромагнитной индукции Правило Ленца. ЭДС индукции в неОсновные законы оптики.................. подвижных проводниках

Вращение рамки в магнитном поле... Глава 19. Интерференция света.......... 153 Анализ циркулярно и эллиптически Принцип Гюйгенса. Законы отражения и преломления

Когерентность и монохроматичность световых волн

Интерференция света

Связь между разностью фаз и оптитепловое излучение

ческой разностью хода. Условия максимумов и минимумов.................. Интерференционная картина от двух когерентных источников

Интерференция при отражении от плоскопараллельной пластинки........ Полосы равного наклона и равной толщины. Кольца Ньютона................ 160 Корпускулярно-волновой дуализм Примеры использования интерференции света

И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Глава 20. Дифракция и дисперсия света

Принцип Гюйгенса

Дифракция Френеля на небольшом круглом отверстии

Дифракция Френеля на круглом диске

Дифракция Фраунгофера на щели.... Дифракция на двух щелях.................. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке

решетке

ских приборов

Дисперсия света

Глава 21. Поляризация света............... свет

Получение плоско поляризованного Поляризация света при отражении и преломлении

Двойное лучепреломление................. Положительные и отрицательные кристаллы

(пластинка l/4)

ширины. Туннельный эффект........... 210 Радиоактивное излучение и его типы Линейный гармонический осцилля- Радиоактивность. Закон радиоактивтор в квантовой механике

Глава 26. Элементы современной физики атомов

Атом водорода в квантовой механике

Атом водорода: квантовые числа....... Энергетический спектр атома водорода

вое число

Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозо- Глава 27. Элементы физики элеменны

электронов в атоме по состояниям.... 220 Частицы и античастицы

спектр

стический спектр. Закон Мозли......... го ядра

Основные характеристики атомного ядра

Энергия связи и удельная энергия связи ядра

Тематическая подборка издательства «КНОРУС»

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика : учеб. пособие. М. : КНОРУС, 2012.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика :

учеб. пособие. М. : КНОРУС, 2012.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра : учеб. пособие. М. : КНОРУС, 2012.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 4. Сборник вопросов и задач по общей физике :

учеб. пособие. М. : КНОРУС, 2012.

Трофимова Т.И. Основы физики. Атом, атомное ядро и элементарные частицы : учеб.

пособие. М. : КНОРУС, 2013.

Трофимова Т.И. Основы физики. Волновая и квантовая оптика : учеб. пособие. М. :

КНОРУС, 2013.

Трофимова Т.И. Основы физики. Электродинамика : учеб. пособие. М. : КНОРУС, 2013.

Трофимова Т.И. Основы физики. Механика : учеб. пособие. М. : КНОРУС, 2013.

Трофимова Т.И. Основы физики. Молекулярная физика. Термодинамика : учеб. пособие.

М. : КНОРУС, 2013.

Трофимова Т.И. Физика от А до Я : справоч. издание. М. : КНОРУС, 2014.

Трофимова Т.И. Физика: теория, решение задач, лексикон : справоч. издание. М. :

КНОРУС, 2012.

Трофимова Т.И. Курс физики с примерами решения задач : в 2 т. Т. 1 : учебник. М. :

КНОРУС, 2013.

Трофимова Т.И. Курс физики с примерами решения задач : в 2 т. Т. 2 : учебник. М. :

КНОРУС, 2013.

Трофимова Т.И. Краткий курс физики с примерами решения задач : учеб. пособие. М. :

КНОРУС, 2014.

Шапкарин И.П. Общая физика. Сборник задач : учеб. пособие. М. : КНОРУС, 2012.