Курс физики (стр. 1 )

Курс физики

Издание второе, исправленное и дополненное

Допущено

Государственным комитетом СССР

по народному образованию

в качестве учебного пособия для студентов

технических специальностей

высших учебных заведений

Москва «Высшая школа» 1990

ББК 22.3

Т70

УДК 53

Рецензенты:

кафедра физики Ленинградского политехнического института им. ;

кафедра физики Уральского политехнического института им.

Т70 Курс физики: Учеб. пособие для вузов.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1990.— 478 с.: ил. ISBN 5-06-001540-8

Пособие составлено в соответствии с программой по физике для студентов вузов. Оно состоит из семи частей, в которых излагаются физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. В пособии устанавливается логическая преемственность и связь между классической и современной физикой.

Во второе издание (1-е—1985 г.) внесены изменения, приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.

Т 1604010000 (4309000000)—363 ББК 22.3

001(01)-90 102-90 53

ISBN 5-06-001540-8 © , 1990

Учебное издание Трофимова Таисия Ивановна КУРС ФИЗИКИ

Зав. редакцией

Редактор

Младший редактор

Художественный редактор

Художник

Технический редактор

Корректор

ИБ № 000

Изд. № ФМ—14. Сдано в набор 17.08.89. Подп, в печать 03.05.90. Формат 70Х 1001/16. Бум. офс. № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Объем 39,00 уел. печ. л. 78,00 усл. кр.-отт. 40,26 уч.-изд. л. Тираж 100000 экз. Зак. № 000. Цена 1 р. 70 к. Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, Неглинная ул., д. 29/14.

Ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени Ленинградское производственно-техническое объединение «Печатный Двор» имени А, М. Горького при Госкомпечати СССР. 197136, Ленинград, П-136, Чкаловский пр., 15.

Предисловие

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

Небольшой объем учебного пособия достигнут с помощью тщательного отбора и лаконичного изложения материала.

Книга состоит из семи частей. В первой части дано систематическое изложение физических основ классической механики, а также рассмотрены элементы специальной (частной) теории относительности. Вторая часть посвящена основам молекулярной физики и термодинамики. В третьей части изучаются электростатика, постоянный электрический ток и электромагнетизм. В четвертой части, посвященной изложению колебаний и волн, механические и электромагнитные колебания рассматриваются параллельно, указываются их сходства и различия и сравниваются физические процессы, происходящие при соответствующих колебаниях. В пятой части рассмотрены элементы геометрической и электронной оптики, волновая оптика и квантовая природа излучения. Шестая часть посвящена элементам квантовой физики атомов, молекул и твердых тел. В седьмой части излагаются элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.

Изложение материала ведется без громоздких математических выкладок, должное внимание обращается на физическую суть явлений и описывающих их понятий и законов, а также на преемственность современной и классической физики. Обозначения и единицы физических величин соответствуют Государственным стандартам СССР и стандартам СЭВ.

При подготовке второго издания заново написаны некоторые параграфы, внесены исправления и дополнения по всему курсу, расширен иллюстративный материал. К каждой главе даны контрольные вопросы и задачи.

Для обозначения векторных величин на всех рисунках и в тексте использован полужирный шрифт, за исключением величин, обозначенных греческими буквами, которые по техническим причинам набраны в тексте светлым шрифтом со стрелкой.

Настоящий курс предназначен для студентов высших технических учебных заведений дневной формы обучения с ограниченным числом часов по физике, с возможностью его использования на вечерней и заочной формах обучения.

Автор выражает глубокую признательность коллегам и читателям, чьи доброжелательные замечания и пожелания способствовали улучшению книги. Автор считает своим долгом поблагодарить кафедру физики Уральского политехнического института и кафедру экспериментальной физики Ленинградского политехнического института, взявших на себя труд рецензирования рукописи при подготовке второго издания.

Автор будет благодарен за замечания и советы по улучшению пособия. Просьба направлять их в издательство «Высшая школа» по адресу. 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.

Автор

Введение

Предмет физики и её связь с другими науками

Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» ( Полн. собр. соч. т. 18. с. 131).

Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение в широком смысле слова — это всевозможные изменения материи — от простого перемещения до сложнейших процессов мышления. «Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как способ существования материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во Вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением» ( Диалектика природы.— К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч. 2-е изд. т. 20. с. 391).

Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой. Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть раскрыт только по мере его детального изложения. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условны. На данной стадии развития нельзя сохранить определение физики только как науки о природе.

Академик (1880—1960; советский физик[1]) определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. В настоящее время общепризнанно, что все взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с веществом является одной из форм существования материи. Неразрывная связь поля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены по мере изучения курса.

Физика — наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Высшие и более сложные формы движения материи — предмет изучения других наук (химии, биологии и др.).

Физика тесно связана с естественными науками. Как сказал академик (1891 —1955; советский физик и общественный деятель), эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки. В результате образовался ряд новых смежных дисциплин, таких, как астрофизика, геофизика, физическая химия, биофизика и др.

Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь носит двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в свое время задача создания наиболее 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 техника и др.).

Физика тесно связана и с философией. Такие крупные открытия в области физики, как закон сохранения и превращения энергии, соотношение неопределенностей в атомной физике и др., являлись и являются ареной острой борьбы между материализмом и идеализмом. Верные философские выводы из научных открытий в области физики всегда подтверждали основные положения диалектического материализма, поэтому изучение этих открытий и их философское обобщение играют большую роль в формировании научного мировоззрения.

Бурный темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на двоякую роль курса физики во втузе: с одной стороны, это фундаментальная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна, с другой — это формирование диалектико-материалистического и научно-атеистического мировоззрения.

Единицы физических величин

Основным методом исследования в физике является опыт — основанное на практике чувственно-эмпирическое познание объективной действительности, т. е. наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и многократно воспроизводить его при повторении этих условий.

Для объяснения экспериментальных фактов выдвигаются гипотезы. Гипотеза — это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

В результате обобщения экспериментальных фактов, а также результатов деятельности людей устанавливаются физические законы — устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами, для чего необходимо эти величины измерять. Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помощью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах. Единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возникнут трудности при их сравнении. Поэтому целесообразно ввести систему единиц, охватывающую единицы всех физических величин и позволяющую оперировать с ними.