книги / Физика для бакалавра. Ч. 1-1
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Э.М. Нуруллаев, Л.Н. Кротов
ФИЗИКА ДЛЯ БАКАЛАВРА
В двух частях
Часть 1
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Второе издание, стереотипное
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
УДК 53(075.8) ББК 22.3 я 73 Н90
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, доцент А.Л. Зуев (Институт механики сплошных сред УрО РАН); канд. физ.-мат. наук, доцент Т.Е. Шайдурова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Нуруллаев, Э.М.
Н90 Физика для бакалавра : учеб. пособие : в 2 ч. / Э.М. Нуруллаев, Л.Н. Кротов. – 2-е изд., стер. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017.
ISBN 978-5-398-01882-0 Ч. 1. – 318 с.
ISBN 978-5-398-01880-6
Рассмотрены основные понятия о явлениях и законах классической физики, их взаимосвязи и происхождении. Дано представление о классической механике, специальной теории относительности, колебаниях и волнах, статистической физике, термодинамике и физической кинетике.
Предназначено для студентов, обучающихся по программе дисциплины курса общей физики, составленной на основе требований унифицированного учебно-методического комплекса дисциплины «Физика. Уровень 1».
УДК 53(075.8) ББК 22.3 я 73
ISBN 978-5-398-01880-6 (ч. 1) |
|
ISBN 978-5-398-01882-0 |
© ПНИПУ, 2017 |
2 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение....................................................................................... |
9 |
Раздел I. МЕХАНИКА............................................................. |
13 |
1. Кинематика поступательного и вращательного |
|
движения абсолютно твердого тела......................................... |
13 |
1.1. Поступательное движение............................................. |
13 |
1.2. Законы равномерного |
|
и равнопеременного движения............................................. |
20 |
1.3. Вращательное движение................................................ |
22 |
1.4. Прямая и обратная задачи кинематики......................... |
27 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
32 |
Проверочные тесты................................................................ |
34 |
2. Динамика поступательного движения................................. |
38 |
2.1. Фундаментальные взаимодействия............................... |
39 |
2.2. Основные характеристики динамики Ньютона........... |
40 |
2.3. Инерциальные системы отсчета |
|
и первый закон Ньютона....................................................... |
42 |
2.4. Второй закон Ньютона................................................... |
43 |
2.5. Третий закон Ньютона и закон сохранения |
|
импульса................................................................................. |
44 |
2.6. Закон всемирного тяготения.......................................... |
48 |
2.7. Силы упругости и трения............................................... |
49 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
52 |
Проверочные тесты................................................................ |
53 |
3. Динамика вращательного движения твердого тела............ |
57 |
3.1. Момент импульса материальной точки |
|
и механической системы. Момент силы. |
|
Уравнение моментов. Закон сохранения момента |
|
импульса механической системы......................................... |
57 |
3.2. Закон сохранения момента импульса ........................... |
64 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
67 |
Проверочные тесты................................................................ |
68 |
|
3 |
4. Работа, мощность, энергия.................................................... |
73 |
4.1. Работа и мощность при поступательном движении........ |
73 |
4.2. Работа и мощность при вращательном движении....... |
76 |
4.3. Кинетическая энергия |
|
при поступательном движении............................................. |
77 |
4.4. Кинетическая энергия вращающегося тела.................. |
79 |
4.5. Потенциальная энергия.................................................. |
79 |
4.6. Закон сохранения энергии ............................................. |
83 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
85 |
Проверочные тесты................................................................ |
86 |
5. Элементы механики сплошных сред.................................... |
91 |
5.1. Общие свойства жидкостей и газов.............................. |
91 |
5.2. Идеально упругое тело. Упругие напряжения |
|
и деформации. Закон Гука. Модуль Юнга.......................... |
95 |
6. Релятивистская механика...................................................... |
98 |
6.1. Принцип относительности и преобразования |
|
Галилея. Неинвариантность электромагнитных |
|
явлений относительно преобразований Галилея................ |
98 |
6.2. Неинвариантность электромагнитных явлений |
|
относительно преобразований Галилея............................. |
101 |
6.3. Постулаты теории относительности........................... |
101 |
6.4. Преобразования Лоренца............................................. |
102 |
6.5. Следствия из преобразований Лоренца: |
|
парадоксы релятивистской кинематики............................ |
103 |
Раздел II. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ .................................. |
106 |
7. Колебания ............................................................................. |
106 |
7.1. Механические колебания............................................. |
106 |
7.2. Кинематические характеристики |
|
гармонического колебания ................................................. |
108 |
7.3. Сложение гармонических колебаний ......................... |
111 |
7.3.1. Сложение колебаний одной частоты, |
|
направленных вдоль одной прямой ................................... |
113 |
7.3.2. Сложение взаимно перпендикулярных |
|
колебаний ............................................................................. |
116 |
4
8. Динамические характеристики |
|
гармонического колебания...................................................... |
122 |
8.1. Идеальный гармонический осциллятор. |
|
Квазиупругая сила. Уравнение идеального |
|
осциллятора и его решение................................................. |
122 |
8.2. Маятник......................................................................... |
125 |
8.2.1. Математический маятник.......................................... |
125 |
8.2.2. Физический маятник.................................................. |
127 |
8.3. Свободные затухающие колебания |
|
осциллятора с потерями...................................................... |
129 |
8.4. Вынужденные колебания. Резонанс............................ |
132 |
Вопросы для самоконтроля................................................. |
138 |
Проверочные тесты.............................................................. |
140 |
9. Волны.................................................................................... |
146 |
9.1. Волновое движение. Продольные |
|
и поперечные волны............................................................ |
146 |
9.2. Плоская гармоническая волна. Уравнение |
|
бегущей волны. Длина волны, волновое число, |
|
фазовая скорость. Волновое уравнение............................. |
149 |
9.3. Принцип суперпозиции. Групповая скорость............ |
151 |
Вопросы для самоконтроля................................................. |
153 |
Проверочные тесты.............................................................. |
154 |
Раздел III. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА |
|
И ТЕРМОДИНАМИКА ........................................................ |
156 |
10. Молекулярно-кинетическая теория.................................. |
156 |
10.1. Предмет молекулярной физики |
|
и термодинамики. Статистический |
|
и термодинамический методы изучения |
|
макроскопических систем................................................... |
156 |
10.2. Основные положения |
|
молекулярно-кинетической теории.................................... |
158 |
10.3. Газообразное состояние вещества. |
|
Идеальный газ...................................................................... |
158 |
10.4. Параметры состояния идеального газа..................... |
159 |
|
5 |
10.5. Основное уравнение молекулярно-кинетической |
|
теории (уравнение Клаузиуса) и следствия из него ......... |
161 |
10.6. Закон Максвелла распределения |
|
молекул идеального газа по скоростям и энергиям.......... |
167 |
10.7. Опыт Штерна .............................................................. |
171 |
10.8. Идеальный газ в однородном поле тяготения. |
|
Барометрическая формула. Распределение |
|
Больцмана............................................................................. |
172 |
Вопросы для самоконтроля................................................. |
175 |
Проверочные тесты.............................................................. |
176 |
11. Феноменологическая термодинамика.............................. |
180 |
11.1. Внутренняя энергия, работа и теплота ..................... |
181 |
11.2. Внутренняя энергия идеального газа. |
|
Степени свободы системы.................................................. |
183 |
11.3. Работа и теплота.......................................................... |
186 |
11.4. Первое начало термодинамики.................................. |
191 |
11.5. Применение первого начала термодинамики |
|
к изопроцессам в идеальном газе....................................... |
193 |
11.6. Преобразование теплоты |
|
в механическую работу. Цикл Карно |
|
и его коэффициент полезного действия ............................ |
198 |
11.7. Энтропия, ее статистическое толкование |
|
и связь с термодинамической вероятностью..................... |
205 |
11.8. Второе начало термодинамики.................................. |
208 |
11.9. Применение второго начала термодинамики |
|
для определения изменения энтропии в процессах |
|
идеального газа.................................................................... |
209 |
11.10. Третье начало термодинамики, |
|
или теорема Нернста–Планка............................................. |
211 |
Вопросы для самоконтроля................................................. |
211 |
Проверочные тесты.............................................................. |
215 |
12. Элементы физической кинетики ...................................... |
218 |
12.1. Явления переноса в газах........................................... |
218 |
12.2. Броуновское движение............................................... |
222 |
Вопросы для самоконтроля................................................. |
224 |
6
Раздел IV. ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ |
|
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК..................................................... |
226 |
13. Электрическое поле в вакууме.......................................... |
226 |
13.1. Закон Кулона. Напряженность |
|
электростатического поля и принцип суперпозиции....... |
226 |
13.1.1. Электрический заряд............................................... |
227 |
13.1.2. Закон Кулона............................................................ |
228 |
13.1.3. Электростатическое поле........................................ |
230 |
13.1.4. Напряженность электростатического поля........... |
231 |
13.2. Работа по перемещению заряда |
|
в электрическом поле. Потенциальная энергия, |
|
потенциал, разность потенциалов...................................... |
235 |
13.3. Теорема Гаусса............................................................ |
241 |
13.3.1. Поток вектора напряженности |
|
электростатического поля................................................... |
242 |
13.3.2. Теорема Гаусса в интегральной форме.................. |
244 |
13.3.3. Применение теоремы Гаусса.................................. |
247 |
14. Проводники в электростатическом поле.......................... |
251 |
14.1. Равновесие зарядов в проводнике. |
|
Электростатическая защита................................................ |
251 |
14.2. Емкость проводников и конденсаторов.................... |
254 |
14.3. Энергия заряженного конденсатора.......................... |
258 |
15. Диэлектрики в электрическом поле ................................. |
261 |
15.1. Поляризация диэлектриков. Ориентационный |
|
и деформационный механизмы поляризации................... |
266 |
15.2. Вектор электрического смещения |
|
(электрической индукции). Диэлектрическая |
|
проницаемость вещества. Электрическое поле |
|
в однородном диэлектрике ................................................. |
264 |
Вопросы для самоконтроля................................................. |
271 |
Проверочные тесты.............................................................. |
275 |
16. Постоянный электрический ток........................................ |
280 |
16.1. Сила и плотность тока. Закон Ома |
|
в дифференциальной форме ............................................... |
281 |
|
7 |
16.2. Закон Джоуля–Ленца в дифференциальной |
|
и интегральной формах....................................................... |
286 |
16.3. Электродвижущая сила источника тока................... |
288 |
16.4. Закон Ома в интегральной форме ............................. |
294 |
16.5. Разветвление цепи. Правила Кирхгофа .................... |
299 |
Вопросы для самоконтроля................................................. |
306 |
Проверочные тесты.............................................................. |
308 |
Список рекомендуемой литературы................................... |
313 |
Вопросы для подготовки к экзамену.................................. |
314 |
8
ВВЕДЕНИЕ
Физика играет огромную роль в развитии современной техники (машиностроения, электротехники, электроники, теплотехники, ядерной энергетики и др.) и всех отраслей народного хозяйства. Это определяет ее особое значение для высшего образования, поскольку:
1)физика является базой для всех общеинженерных и технических дисциплин сопротивления материалов, теоретической механики, теплотехники, электротехники, различных технологических курсов и др.;
2)пути развития любой отрасли современного производства очень тесно переплетаются с физикой; поэтому инженер любого профиля должен владеть ею, чтобы применять новейшие достижения физики в своем производстве.
«Физика» в переводе с греческого означает «природа». Наряду с другими естественными науками (астрономия, химия, биология и др.) физика изучает свойства окружающего нас мира. Современная физика есть наука о строении материи, о простейших и наиболее общих формах ее движения, о взаимных превращениях форм движения и видов материи. Под материей понимают все то, что существует объективно, т.е. независимо от человеческого сознания, и что познается в чувственном человеческом опыте.
Наиболее важным свойством материи является движение. Движение – способ существования материи, оно неуничтожимо.
Вфилософском смысле движение всякое изменение материи, всякий происходящий в природе процесс: физический, химический, биологический, геологический, общественный и др. Физика изучает простейшие и в то же время наиболее общие формы движения материи: механическую, тепловую, электромагнит-
9
ную, внутриатомную и т.д., которые содержатся во всех формах движения.
Среди всех форм движения особую роль играет механическое движение. Это объясняется тем, что механическое движение, наиболее простое и наглядное, исторически изучалось первым, все более сложные формы движения включают в себя простое механическое перемещение. Любой вид движения происходит в пространстве и во времени, а механическое движение как раз и определяет пространственно-временные характеристики всех процессов.
Механическое движение материи изучает механика. Механическим движением называется процесс изменения взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени.
Механическое движение можно рассматривать с разных точек зрения:
1)с геометрической, т.е. изучать внешнюю сторону различных видов движения, не вникая в причины, которые обусловливают эти движения;
2)с причинно-следственной, т.е. изучать движение с точки зрения тех взаимодействий, которые его обусловливают или изменяют.
Разделы механики, изучающие движение с указанных точек зрения, называются соответственно кинематикой и динамикой. Особо рассматриваются условия равновесия (статика).
Понятие «механическое движение» неприменимо к одному, отдельному телу. О движении данного тела имеет смысл говорить лишь тогда, когда есть возможность определять его положение относительно другого тела или других тел. Поэтому, приступая к изучению движения какого-либо тела, мы должны сначала условиться, по отношению к какому телу это движение
будем рассматривать. Тело или система тел, по отношению к которым определяется положение других тел, называется телом отсчета.
10