- •Министерство образования и науки Российской федерации
- •Часть I. Механика
- •Тема 1. Кинематика поступательного и вращательного движения. Кинематика поступательного движения
- •Кинематика вращательного движения
- •Тема 2. Динамика поступательного движения. Законы Ньютона
- •Тема 3. Работа. Кинетическая, потенциальная и полная энергия
- •Тема 4. Момент инерции твердого тела. Теорема Штейнера
- •Тема 5. Кинетическая энергия и работа вращательного движения Уравнение динамики вращательного движения твердого тела
- •Тема 6. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса
- •Тема 7. Механические колебания. Пружинный маятник
- •Тема 8. Гармонические колебания физического маятника
- •Тема 9. Механические волны
- •Тема 10. Механика жидкости. Уравнение Бернулли
- •Часть II. Молекулярная физика и термодинамика
- •Тема 1. Уравнение состояния идеального газа.
- •Тема 2. Термодинамические процессы. Изопроцессы.
- •Тема 3. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
- •Тема 4. Распределение молекул идеального газа по скоростям.
- •Тема 5. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
- •Тема 6. Явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость).
- •Тема 7. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Работа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.
- •Тема 8. Теплоемкость газа при изопроцессах. Уравнение Майера.
- •Тема 9. Адиабатический процесс.
- •Тема 10. Обратимый и необратимый процессы. Круговой процесс. Тепловая машина и цикл Карно.
- •Часть III. Электричество и магнетизм
- •Тема 2. Работа сил электростатического поля. Потенциал
- •Циркуляцией вектора напряженности электростатического поляпо произвольному замкнутому контуру l называется интеграл
- •Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля
- •Тема 4. Действие магнитного поля на проводник с током (закон Ампера) и на движущийся заряд (сила Лоренца)
- •Тема. 5. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Тема. 6. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея
- •Тема 7. Циркуляция вектора магнитной индукции
- •Тема 8. Уравнения Максвелла для стационарных электрического и магнитного полей
- •I.; II. ;
- •III.; IV. .
- •Тема 8. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
- •I.; II.;
- •Тема 9. Электромагнитные колебания в колебательном контуре
- •Тема 10. Электромагнитные волны
- •Часть IV.Волновая и квантовая оптика т ема 1. Волновая теория света. Интерференция света
- •Условия интерференционного максимума и минимума
- •Тема 2. Дифракция света. Дифракция Френеля
- •Тема 3. Дифракция Фраунгофера
- •Тема 4. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах
- •Глава 5. Дисперсия и поляризация света
- •Тема 6. Корпускулярная оптика
- •Тема 7. Тепловое излучение
- •Тема 8. Квантовая физика атома. Постулаты Бора
- •По теории Бора полная энергия электрона на n-ой орбите атома водорода:
Часть III. Электричество и магнетизм
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Тема 1. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля
Электростатическое поле – это особый вид материи, с помощью которой происходит взаимодействие заряженных тел.
Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует.
Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами q1 и q2 прямопропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:
,
где (0 – электрическая постоянная);
– диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данной среде меньше, чем в вакууме.
Кулоновская сила направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие точечные заряды, соответствует притяжению в случае разноименных зарядов и отталкиванию в случаеодноименных зарядов.Электрические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами, называются электростатическими.
Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля можно использовать пробный точечный заряд q0 . Если этот заряд поместить в какую- либо точку электростатического поля, то на него будет действовать сила , величина и направление которой определяет силовую характеристику электростатического поля, носящую название напряженности электростатического поля.
Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина , определяемая силой, действующей на пробный точечный положительный заряд q0 , помещенный в эту точку поля, то есть:
.
Напряжённость электростатического поля, создаваемого точечным зарядом q в любой точке поля, находящейся на расстоянии r от этого заряда:
.
Электростатическое поле может быть изображено графически с помощью силовых линий. Силовая линия — это такая линия, касательная в каждой точке к которой совпадает по направлению с вектором напряженности электростатическго поля в данной точке (рис. 1, 2).
Рис. 1 Рис. 2
Если поле создается точечным зарядом, то силовые линии – это радиальные прямые, выходящие из положительного заряда (рис. 2, а), и входящие в отрицательный заряд (рис. 2, б).
С помощью силовых линий можно характеризовать не только направление, но и величину напряженности электростатического поля, связывая её с густотой силовых линий. Большей густоте силовых линий соответствует большая величина напряженности (рис. 1, 2). Количественно числу силовых линий, пронизывающих единичную площадку, расположенную перпендикулярно силовым линиям, ставится в соответствие величина напряженности электростатического поля. В этом случае определенному заряду q, создающему поле, соответствует определенное число N силовых линий, выходящих (для ) из заряда или входящих (для ) в заряд, а именно: .
Поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную площадкуS характеризуется числом силовых линий, пронизывающих данную площадку S.
Если площадка S перпендикулярна силовым линиям (рис. 3), то поток ФЕ вектора напряженности через данную площадкуS : .
Рис. 3 Рис. 4
Е
Рис.
3
,
где α – угол между векторами напряженности и нормалик площадкеS.
Для того, чтобы найти потокФЕ вектора напряженности через произвольную поверхностьS, необходимо разбить эту поверхность на элементарные площадки dS (рис. 5), определить элементарный поток dФЕ через каждую элементарную площадку dS по формуле: ,
а затем все эти элементарные потоки dФЕ сложить, что приводит к интегрированию:
,
г
Рис.
7
Если ввести вектор (рис. 5) как вектор, равный по величине площади площадкиdS и направленный по вектору нормали к площадке dS , то величина , где – угол между векторами иможет быть записана в виде скалярного произведения векторови, то есть, как, а полученное соотношение для потока векторапримет вид:
.
Теорема Остроградского - Гаусса для электростатического поля. Теорема Остроградского - Гаусса для электростатического поля связывает между собой величину потока ФЕ вектора напряженности электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность S с величиной заряда q, заключенного внутри данной замкнутой поверхности S (рис. 6).
П
Рис.
6
.
Это соотношение есть теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля.
Так как поток считается положительным, если силовые линии выходят из поверхности S, и отрицательным для линий, входящих в поверхность S, то в случае, если внутри произвольной замкнутой поверхности S находится не один, а несколько (n) разноименных зарялов, то теорема Остроградского - Гаусса для электростатического поля формулируется следующим образом:
поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на 0 :
.
В общем случае электрические заряды могут быть распределены внутри объёма, ограниченного замкнутой поверхностью S, с некоторой объемной плотностью (), различной в разных местах пространства. Тогда суммарный заряд, заключенный внутри этой замкнутой поверхности S, охватывающей объем V, равен: .
В таком случае теорема Остроградского - Гаусса приобретает вид:
.
Напряженность электростатического поля зависит от диэлектрических свойств среды. В диэлектрике напряженность поля меньше, чем напряженность внешнего электростатического поля в вакууме, в котором находится диэлектрик, в раз ( – диэлектрическая проницаемость среды), а модуль вектора , переходя через границу диэлектриков, скачкообразно изменяется. Поэтому для характеристики электростатического поля, кроме вектора напряженности, введен вектор электрического смещения , модуль которого не изменяется при переходе из одной диэлектрической среды в другую.
Вектор электрического смещения по определению: .
Используя то, что в вакууме ,теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля может быть переформулирована следующим образом:
,
то есть поток вектора смещения электростатического поля через произвольную замкнутую поверхностьS равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов.
В случае, если электрические заряды распределены внутри объёма V, ограни-ченного замкнутой поверхностью S, с некоторой объемной плотностью ,теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля может быть переформулирована сдедующим образом:
.