Основы физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика


Б.М. Яворский, А.А. Пинский


ОСНОВЫ ФИЗИКИ Том 1 Механика Молекулярная физика Электродинамика
Издание шестое, стереотипное

Под редакцией Ю.И. Дика




МОСКВА ФИЗМАТЛИТ®
2017

УДК 530.10(075.4)
ББК 22.3
     Я22




    Яворский Б. М., Пинский А.А. Основы физики: Учебник. В 2 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика / Под ред. Ю.И. Дика. — 6-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. — 576 с. — ISBN 978-5-9221-1754-8 (Т. 1).
    Данная книга является первой частью двухтомника, в котором основы физики излагаются на современной основе. Вопросы механики связаны с теорией относительности и соотношением неопределенностей; законы сохранения энергии, импульса и момента импульса — с принципами симметрии пространства и времени; основы термодинамики — с молекулярной статистикой и строением вещества; гидромеханика — с теорией ударных волн. От читателя требуется лишь основательное знание физики, алгебры и начал тригонометрии в объеме восьмилетней школы.
    Для учащихся школ, гимназий, лицеев с углубленным изучением физико-математических дисциплин, для подготовки к конкурсным экзаменам в вузы.
    Табл. 26. Ил. 361.





















ISBN 978-5-9221-1754-8 (Т. 1)
ISBN 978-5-9221-1753-1

© ФИЗМАТЛИТ, 2003, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие............................................... 11
Как работать над книгой................................... 12


Часть I
Движение и силы

Глава 1. Скорость....................................... 15
  §1.1 . Механическое движение (15). §1.2. Система отсчета. Траектория (16). § 1.3. Прямолинейное движение. Закон движения (18).
  §   1.4. Равномерное движение (19). § 1.5. Переменное движение (20).
  §1.6 . Средняя скорость (22). §1.7. Мгновенная скорость переменного движения (23).
Глава 2. Инерция........................................ 24
  §2.1 . Принцип инерции (24). §2.2. Инерциальные системы отсчета (27). §2.3. Принцип относительности (28). §2.4. Преобразования Галилея (30). §2.5. Классический закон сложения скоростей (31).
Глава 3. Скалярные и векторные величины................. 32
  §3.1 . Скалярные величины (32). §3.2. Векторные величины (33).
  §3.3 . Некоторые операции над векторами (34). §3.4. Разложение вектора на два слагаемых (37). §3.5. Скорость — вектор (38).
  §3.6 . Сложение скоростей (39).
Глава 4. Ускорение...................................... 41
  §4.1. Среднее и мгновенное ускорение (41). §4.2. Прямолинейное переменное движение (41). §4.3. Прямолинейное равнопеременное движение (42). §4.4. График скорости при равнопере-
  менном движении (43). §4.5. Графическое вычисление перемещения (43). §4.6. Перемещение и средняя скорость при равнопеременном движении (44). §4.7. Равномерное движение материальной точки по окружности (46). § 4.8. Ускорение при равномерном движении материальной точки по окружности (47).
Глава 5. Сила........................................... 48
  §5.1. Сила — мера взаимодействия тел (48). §5.2. Упругие и пластические деформации (49). §5.3. Сила — вектор (51). §5.4. Сложение и разложение сил, приложенных к материальной точке (53).
Глава 6. Сила тяжести, вес и масса...................... 54
  §6.1. Сила тяжести. Вес (54). §6.2. Свободное падение (56).
  §6.3. Масса тела (57). §6.4. Плотность вещества (58). §6.5. Давление. Архимедова сила (59).
Глава 7. Основной закон динамики........................ 61
  §7.1. Сила и ускорение (61). §7.2. Применения основного закона динамики (64). §7.3. Невесомость (67). §7.4. Система единиц (69).
  §7.5. Международная система единиц (70).

Оглавление

Глава 8. Закон движения материальной точки и начальные условия............................................ 71
  §8.1. Основная задача динамики (71). §8.2. Движение материальной точки под действием силы тяжести (72). § 8.3. Численное решение основной задачи динамики (74). §8.4. Движение тела под действием упругой силы (75). §8.5. Величины, определяющие закон движения материальной точки (78).
Глава 9. Тяготение........................................ 79
  § 9.1. Открытие закона тяготения (79). §9.2. Закон всемирного тяготения (81). §9.3. Опыт Кавендиша (82). § 9.4. Определение расстояний от Солнца до планет (83). § 9.5. Гравитационное поле (84).
  §9.6. Напряженность гравитационного поля (85). § 9.7. Гравитационное поле Земли (86). §9.8. Влияние вращения Земли на ускорение свободного падения (88).
Глава 10. Электрические силы.............................. 89
  §10.1. Электрический заряд (89). §10.2. Закон Кулона (90).
  § 10.3. Единица заряда (92). § 10.4. Диполь (93). § 10.5. Электрическое поле. Напряженность (95). §10.6. Поле точечного заряда и диполя (96).
Глава 11. Трение.......................................... 98
  § 11.1. Внешнее и внутреннее трение (98). § 11.2. Трение покоя (99). §11.3. Угол трения покоя (101). §11.4. Трение скольжения (102).
  §11.5. Трение качения (103). §11.6. Движение тел под действием силы трения (104). § 11.7. Внутреннее трение (вязкость) (105).
  §11.8. Движение тела в жидкости (106). §11.9. Падение тела
  в жидкости или газе (109).
Глава 12. Теория относительности......................... 111
  §12.1.  Скорость света и закон сложения скоростей (111).
  § 12.2. Основные постулаты специальной теории относительности (113). § 12.3. Относительность одновременности и длины (114).
  § 12.4. Релятивистские преобразования координат. Релятивистский закон сложения скоростей (117). §12.5. Предельный характер скорости света (119). §12.6. Преобразования Лоренца (120). §12.7. Длина отрезка (121). §12.8. Промежуток времени между двумя событиями (122). §12.9. Промежуток времени между причиной и следствием. Интервал (123). §12.10. Соотношение между релятивистской и ньютоновской механикой (125).
Глава 13. Импульс и сила в теории относительности . . 127
  § 13.1. Релятивистский импульс (127). § 13.2. Основной закон динамики в теории относительности (128). §13.3. Соотношение между ньютоновской и релятивистской динамикой (129).
Глава 14. Закон движения и соотношение неопределенностей ................................................ 131
  §14.1.  Начальные условия и измерительная аппаратура (131).
  § 14.2. Соотношение неопределенностей (135). § 14.3. Соотношение неопределенностей и классическая механика (136).

Оглавление

5

Часть II
Законы сохранения

Глава 15. Закон сохранения импульса.................... 140
  §15.1. Замкнутая система тел (140). §15.2. Закон сохранения импульса (141). § 15.3. Явление отдачи (143). § 15.4. Реактивное движение (144). §15.5. Расчет запаса топлива (145). §15.6. Центр масс (146). §15.7. Движение центра масс (147). §15.8. Релятивистский фактор (149).
Глава 16. Полная и кинетическая энергия................ 150
  §16.1. Полная энергия тела (150).   §16.2. Кинетическая энер-
  гия (151). §16.3. Энергия и импульс (152). §16.4. Кинетическая энергия и работа (153). §16.5. Мощность (155). §16.6. Единицы энергии, работы и мощности (155). § 16.7. Импульс и энергия локализованной частицы (156).
Глава 17. Элементарная теория столкновений............. 158
  § 17.1. Что такое столкновение? (159). § 17.2. Абсолютно неупругий удар (160). § 17.3. Упругий удар (161). § 17.4. Замедление нейтронов (162). § 17.5. Давление потока частиц на стенку (163).
Глава 18. Консервативные силы и потенциальная энергия ................................................... 165
  §18.1. Работа переменной силы (165). §18.2. Работа упругой силы (167). §18.3. Работа кулоновской силы (168). §18.4. Работа гравитационной силы (170). §18.5. Консервативные силы (171).
  § 18.6. Потенциальная энергия упругих, кулоновских и гравитационных взаимодействий (172). §18.7. Потенциал электростатического поля (174). §18.8. Потенциал поля точечного заряда (175).
  §18.9 . Энергия электрического поля (176).
Глава 19. Закон сохранения энергии в ньютоновской механике............................................... 176
  §   19.1. Механическая энергия и ее сохранение (177). § 19.2. Механическая энергия и трение (177). § 19.3. Космические скорости (178).
  §19.4 . Потенциальные кривые (179). §19.5. Потенциальная энергия и равновесие (182).
Глава 20. Внутренняя энергия........................... 183
  §20.1 . Внутренняя энергия системы частиц (183). §20.2. Изменение внутренней энергии при деформации тела (185). §20.3. Изменение внутренней энергии тела при тепловых процессах (186).
  §   20.4. Изменение внутренней энергии при химических реакциях (187). §20.5. Изменение внутренней энергии при ядерных реакциях (188).
Глава 21. Закон сохранения энергии..................... 189
  §21.1 . Работа как мера изменения полной и внутренней энергии (189). §21.2. Теплообмен (190). §21.3. Количество тепло-
  ты (192). § 21.4. Первое начало термодинамики (193). §21.5. Адиа

Оглавление

  батически изолированная система (194). §21.6. Закон сохранения энергии (195). § 21.7. Закон сохранения массы (195).
Глава 22. Закон сохранения момента импульса............ 197
  §22.1 . Особенности вращательного движения (197). §22.2. Кинетическая энергия и момент инерции (198). §22.3. Зависимость момента инерции от положения оси вращения (200). §22.4. Момент силы (202). §22.5. Условие равновесия тела, имеющего ось вращения (204). §22.6. Момент импульса и основное уравнение динамики (205). §22.7. Закон сохранения момента импульса (206).
  §   22.8. Аналогия между величинами и соотношениями между ними при поступательном и вращательном движениях (209).
Глава 23. Симметрия в природе и законы сохранения . 210
  §23.1 . Законы сохранения как основные законы природы (210).
  §23.2 . Законы сохранения как принципы запрета (211). §23.3. Законы сохранения и симметрия пространства-времени (212). §23.4. Однородность времени и сохранение энергии (213).
Глава 24. Неинерциальные системы отсчета и тяготение .................................................. 214
  §24.1 . Явления в ускоренно движущейся системе отсчета (214).
  §   24.2. Силы инерции (216). § 24.3. Особенности сил инерции (217).
  §   24.4. Пространство и время в неинерциальных системах отсчета (218). §24.5. Принцип эквивалентности (221). §24.6. Понятие о теории тяготения Эйнштейна (223). §24.7. Парадокс близнецов (227).


Часть III
      Молекулярно-кинетическая теория газа

Глава 25. Молекулярное движение....................... 230
  §   25.1. Как измерили скорость движения молекул (230). § 25.2. Распределение молекул по скоростям (232). §25.3. Длина свободного пробега молекулы (234). §25.4. Диффузия (237). §25.5. Закон диффузии (238). § 25.6. Разделение газовых смесей (239).
Глава 26. Идеальный газ............................... 241
  §26.1 . Давление газа (241). §26.2. Идеальный газ (243). §26.3. Температура (245). §26.4. Термодинамическая температура и уравнение состояния идеального газа (247). §26.5. Газовый термо-
  метр (248). §26.6. Кельвин и градус Цельсия (249). §26.7. Абсолютный нуль (251). §26.8. Постоянная Авогадро и постоянная Больцмана (252). §26.9. Распределение молекул в силовом поле (255). § 26.10. Барометрическое распределение (256).
Глава 27. Идеальный газ и первое начало термодинамики ................................................. 258
  §27.1 . Внутренняя энергия одноатомного идеального газа (259).
  §27.2 . Работа при расширении идеального газа (260). §27.3. Первое начало термодинамики и теплоемкость газа (261). §27.4. Изохор-

Оглавление

7

  ный процесс (262). §27.5. Изобарный процесс (263). §27.6. Изотермический процесс (264). §27.7. Адиабатный процесс (265).
  §27.8 . Теплоемкость двухатомного газа (268). §27.9. Понятие
  о квантовой теории теплоемкости газов (270).
Глава 28. Второе начало термодинамики..................... 274
  §28.1 . Квазистатические процессы (274). §28.2. Обратимые процессы (275). §28.3. Необратимость реальных тепловых процессов (277). § 28.4. Необратимость и статистика (278). §28.5. Диффузия и термодинамическая вероятность (281). § 28.6. Термодинамическая вероятность и другие тепловые процессы (282). §28.7. Термодинамическая вероятность и энтропия (284). §28.8. Энтропия и теплообмен (285). §28.9. Второе начало термодинамики (288). §28.10. Статистический смысл второго начала термодинамики. Флуктуации (289).  §28.11. Броуновское движение и флуктуа-
  ции (290). §28.12. Броуновское движение и постоянная Больцмана (291).
Глава 29. Тепловые машины................................. 294
  §29.1 . Тепловые машины и развитие техники (294). §29.2. Тепловой двигатель (295). § 29.3. Схематическое устройство и энергетический баланс теплового двигателя (296). § 29.4. Тепловой двигатель и второе начало термодинамики (297). §29.5. Цикл Карно (299).
  §    29.6. КПД реального двигателя (300). § 29.7. Обратный цикл Карно (301). § 29.8. Холодильная установка и тепловой насос (303).
Глава 30. Основы газовой динамики......................... 304
  §30.1 . Термодинамические параметры движущегося газа (304).
  §30.2 . Уравнение неразрывности (305). § 30.3. Уравнение импульса (305). §30.4. Уравнение Бернулли (306). §30.5. Скорость распространения упругих возмущений (307). §30.6. Учет сжимаемости газа. Число Маха (310). § 30.7. Конус Маха (310). §30.8. Ударная головная волна (312). §30.9. Волновое сопротивление (312).
  §30.10 . Сопло (314). §30.11. Аналогия между соплом и тепловой машиной (315). §30.12. Сопло Лаваля (316). §30.13. Реактивный двигатель (317). §30.14. Крыло самолета (318). §30.15. Давление в потоке жидкости (319). § 30.16. Учет вязкости (320).




Часть IV
Молекулярные силы и агрегатные состояния вещества


Глава 31. Молекулярные силы.............................. 322
  §31.1 . Плотность и сжимаемость вещества (322). §31.2. Моле-
  кулярные силы (323). §31.3. Электрическое происхождение молекулярных сил (324). §31.4. График молекулярных сил (326).
  §31.5 . Потенциальная кривая молекулярного взаимодействия (328).
  §31.6 . Тепловое расширение твердых тел и жидкостей (329).

Оглавление

Глава 32. Дальний порядок................................. 333
  §32.1 . Монокристалл (333).    §32.2. Поликристалл (335).
  §32.3 . Кристаллическая решетка. Дальний порядок (336).
  §32.4 . Дефекты упаковки и блочная структура кристалла (337).
  §32.5 . Движение дефектов и диффузия (339). §32.6. Движение дислокаций и деформация кристалла (340).
Глава 33. Плотная упаковка частиц......................... 342
  §    33.1. Типы кристаллических связей (342). §33.2. Плотнейшая упаковка одинаковых шаров (344). § 33.3. Плотнейшие упаковки шаров с разными радиусами (346). §33.4. Решетки, которые нельзя представить как упаковку шаров (347). §33.5. Структура льда и воды (349). §33.6. Полимеры (351).
Глава 34. Ближний порядок................................. 352
  §34.1 . Особенности жидкого состояния (352). §34.2. Структура жидкости и ее свойства (353). §34.3. Среднее время оседлой жизни (355). §34.4. Диффузия в жидкостях (357). §34.5. Вязкость жидкостей (358). §34.6. Аморфные тела (360). §34.7. Энергия поверхностного слоя и поверхностное натяжение жидкости (361).
  §34.8 . Давление под искривленной поверхностью жидкости (362).
  §    34.9. Капиллярные явления (364).
Глава 35. Пар............................................. 365
  §35.1. Испарение (365). §35.2. Насыщенный пар (367). §35.3. Давление насыщенного пара (368).  §35.4. Изотерма пара (371).
  §35.5. Критическое состояние вещества (372). §35.6. Влажность воздуха (374).
Глава 36. Фазовые переходы................................ 376
  §36.1. Изменение агрегатного состояния (376). §36.2. Диаграмма перехода жидкость-газ (376).  §36.3. Диаграмма перехода кристалл-газ (377).           §36.4. Диаграмма перехода кристалл-
  жидкость (378).   §36.5. Диаграмма перехода кристалл-кри-
  сталл (379). §36.6. Тройная точка (381). § 36.7. Изменение внутренней энергии и энтропии при фазовых переходах первого рода (381). §36.8. Метастабильные состояния (385). §36.9. Конденсация. Пересыщенный пар (386). §36.10. Кипение. Перегретая жидкость (388). §36.11. Сжижение газов (389). §36.12. Сверхтекучесть гелия (392).


Часть V
Электродинамика

Глава 37. Поле неподвижных зарядов в вакууме... 396
  § 37.1. Линии напряженности (396). § 37.2. Эквипотенциальные поверхности (397). §37.3. Связь между напряженностью и потенциалом (399). §37.4. Диполь в электрическом поле (400). §37.5. Плоский конденсатор (402). §37.6. Электроемкость (403). §37.7. Энергия поля. Плотность энергии (404). §37.8. Сила взаимодействия между пластинами конденсатора (404). §37.9. Поток вектора на

Оглавление

9

  пряженности. Теорема Гаусса (405). §37.10. Проводник в электрическом поле (409). §37.11. Определение заряда электрона (411).
Глава 38. Диэлектрики................................... 413
  §38.1 . Электрическое поле при наличии диэлектрика (413).
  §38.2 . Вектор поляризации (414). §38.3. Электрическая вос-
  приимчивость (415). §38.4. Энергия поля в диэлектрике (416).
  §38.5 . Деформационная поляризуемость (417). §38.6. Ориентационная поляризуемость (419).
Глава 39. Постоянный ток................................ 421
  §39.1 . Стороннее поле. Напряжение и ЭДС (421). §39.2. Сила тока и плотность тока (424). §39.3. Закон Ома для однородного участка цепи (426). §39.4. Сопротивление (426). § 39.5. Закон Ома в дифференциальной форме (427). §39.6. Закон Ома для неоднородного участка цепи и для замкнутой цепи (428). §39.7. Закон Джоуля-Ленца (429). §39.8. Зарядка и разрядка конденсатора (430). § 39.9. Правила Кирхгофа (431).
Глава 40. Магнитное поле в вакууме...................... 433
  §40.1 . Взаимодействие токов. Магнитные силы (433). §40.2. Закон преобразования для поперечного импульса и поперечной силы (434). §40.3. Взаимодействие между движущимися зарядами (436). §40.4. Вектор магнитного поля. Линии индукции (438).
  §40.5 . Магнитное поле проводника с током (439). §40.6. Магнитный момент (441). §40.7. Напряженность магнитного поля (444).
  §40.8 . Инвариантность электрического заряда (445).
Глава 41. Заряды и токи в магнитном поле................ 446
  §41.1 . Сила Лоренца (446). §41.2. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле (448). §41.3. Определение зна-
  ка заряда элементарных частиц (449). §41.4. Циклотрон (450).
  §    41.5. Энергия частицы и условие синхронизации (452). §41.6. Синхрофазотрон (454). §41.7. Ускорители на встречных пучках (457).
  §41.8 . Удельный заряд электрона (459). §41.9. Удельный заряд иона (461). §41.10. Проводник с током в магнитном поле (462).
  §41.11 . Рамка с током в магнитном поле (463).
Глава 42. Магнетики..................................... 464
  §42.1. Три типа магнетиков (465). §42.2. Магнитный момент атома (466).  §42.3. Величины, характеризующие магнитное поле
  в веществе (467). §42.4. Диамагнетизм (469). §42.5. Парамагнетизм (471). § 42.6. Ферромагнетизм. Точка Кюри (473). §42.7. Гистерезис (475). §42.8. Доменная структура ферромагнетиков (477).
  §42.9. Опыт Эйнштейна и де-Гааза (480). §42.10. Опыт Штерна и Герлаха (481). §42.11. Спин электрона (483). §42.12. Антиферромагнетизм (484).
Глава 43. Электромагнитная индукция..................... 487
  §43.1. Открытие Фарадея (487). §43.2. Явление электромагнит^ ной индукции и сила Лоренца (487). §43.3. Электродвижущая сила индукции (490). §43.4. Явление индукции в неподвижном проводнике (490). §43.5. Напряженность индуцированного по

Оглавление

  ля (491). §43.6. Электромагнитное поле и принцип относительности (492). §43.7. Закон индукции Фарадея (493). §43.8. Правило Ленца (495). §43.9. Электромагнитная индукция и закон сохранения энергии (495). §43.10. Самоиндукция (496). §43.11. Энергия электромагнитного поля (497). §43.12. Включение цепи с индуктивностью (499).
Глава 44. Электрическая проводимость, теплоемкость и теплопроводность твердых тел............................ 500
  §44.1 . Экспериментальные основы электронной теории проводимости металлов (500). §44.2. Эффект Холла (502). §44.3. Электронный газ (505). §44.4. Вывод закона Ома из электронной теории (507). §44.5. Вывод закона Джоуля-Ленца (511). §44.6. Работа выхода (513). §44.7. Контактная разность потенциалов (515).
  §44.8 . Термоэлектричество (516). §44.9. Теплоемкость (517).
  §44.10 . Теплоемкость металлов (521). §44.11. Теплопроводность диэлектриков (521). §44.12. Теплопроводность металлов (524).
Глава 45. Электрическая проводимость полупроводников ...................................................... 526
  §    45.1. Собственная электронная и дырочная проводимость полупроводников (526). §45.2. Примесная электронная и дырочная проводимость полупроводников (530). §45.3. Выпрямление на границе металл-полупроводник (532). §45.4. Выпрямление на границе электронно-дырочного перехода (533). §45.5. Транзистор (536).
  §45.6 . Фотосопротивления и полупроводниковые фотодиоды (539).
Глава 46. Электрическая проводимость электролитов . 542
  §46.1 . Электролитическая диссоциация (542). §46.2. Закон Ома и проводимость электролитов (543). § 46.3. Законы Фарадея (544).
  §46.4 . Гальванический элемент (546).
Глава 47. Ток в вакууме.................................. 547
  §47.1. Термоэлектронная эмиссия (547). §47.2. Диод и его характеристика (548). §47.3. Триод и его характеристика (550). §47.4. Электронно-лучевая трубка (552).
Глава 48. Ток в газах.................................... 553
  §48.1. Ионизация и рекомбинация (553). §48.2. Несамостоятельный разряд (554). §48.3. Ударная ионизация (557). §48.4. Счетчик Гейгера-Мюллера (558). §48.5. Самостоятельный разряд. Плазма (560). §48.6. Тлеющий разряд (561). §48.7. Плазма в магнитном поле (563). §48.8. МГД-генератор (565).
Предметный указатель..................................... 568

Предисловие

   В настоящее время на основе Закона об образовании в Российской Федерации происходит радикальная реформа системы общего среднего образования. Одна из основных задач реформы — учет индивидуальных особенностей учащихся, их интересов и способностей. С этой целью Законом предусмотрена дифференциация средней школы, особенно ее старшего звена. Появились лицеи, колледжи, гимназии, школы и классы с углубленным изучением физики, возможность подготовки к экзаменам на ученую степень бакалавра. Возникла потребность в учебных пособиях, где физика излагалась бы на гораздо более высоком уровне, чем это возможно в учебниках для массовой школы.
   Этим требованиям удовлетворяет предлагаемый вниманию читателей двухтомник «Основы физики». Он представляет собой детально переработанный и существенно дополненный вариант двухтомника под тем же названием, который издавался на русском х), английском * ²), польском ³), испанском ⁴) языках.
   Книга пользовалась большой популярностью у учащихся физико-математических школ, участников физических олимпиад, у учителей и студентов, у абитуриентов при подготовке к вступительным экзаменам в высшие учебные заведения.
   В этом издании сохранена основная идея курса — органическое сочетание идей современной и классической физики. Релятивистские, квантовые и статистические представления формируются в начале и далее систематически используются по всему курсу- В этом издании уточнены некоторые понятия релятивистской физики, установлена их связь с квантовыми представлениями. Расширено использование квантовых идей, в частности, за счет введения одномерного уравнения Шредингера и следствий из него. Дополнены сведения о свойствах вещества — полупровод

  х) Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Т. 1, 2. — М.: Наука, 1969, 1974, 1981.

  ²) Yavorsky В.М., Pinsky A.A. Fundamentals of Physics. V. 1, 2. — Moskow: Mir Publishers, 1975, 1979, 1987.

  ³) Yaworski B.M., Pinski A.A. Elementy Fizyki. T. 1, 2. — Warszawa: Paristwowe Wydawnictwo Naukowe, 1977, 1979.

 ⁴) Yavorski B.M., Pinski A.A. Fundamentalos de Fisica. V. 1, 2. — Moscu: Editorial Mir, 1983.

Как работать над книгой

никах, явлениях сверхтекучести жидкого гелия и высокотемпературной сверхпроводимости. Заново написана глава об элементарных частицах с учетом последних достижений в этой области физики.
   Авторы надеются, что читатели, изучившие физику по этой книге, приобретут глубокие и прочные знания в области этой сложной, но увлекательной науки.

                               Б.М. Яворский, А.А. Пинский




Как работать над книгой

   В книге принята определенная система ссылок на предыдущий материал в виде указаний либо на параграф, где он рассмотрен, либо на формулы, на основе которых ведется рассуждение. Если Вы этот материал не помните, то вернитесь к нему и повторите, лишь тогда вам станет ясен смысл нового. В тексте имеются указания и на последующие разделы или параграфы, где рассматриваемый материал будет использован или расширен и углублен. Это указывает на значение данного материала для дальнейшего изложения.
   Для облегчения поиска необходимой информации — понятий, законов, явлений и т. и. — в пособии имеются подробное оглавление и предметный указатель. В них указаны страницы, где этот материал наиболее полно изложен либо встречается впервые. Дальнейшие ссылки можно найти в тексте.
   В настоящее время все понятия и законы физики группируются вокруг фундаментальных теорий: ньютоновской механики и теории относительности, молекулярно-кинетической теории и принципов термодинамики, теории электромагнитного поля и электронной теории, теории колебаний, квантовой теории. Усвоение этих теорий способствует более глубокому пониманию сущности физических явлений и законов, позволяет с единых позиций обозреть огромный фактический материал. Вместе с тем усвоение фундаментальных теорий требует от изучающего данное пособие внимательного анализа отдельных положений, фактов и закономерностей и определения их места в системе физических теорий. При этом очень важно уяснить себе, является ли данное положение определением, экспериментальным фактом, логическим следствием или обобщением и т. и. Только при таком

Как работать над книгой

13

отношении к изложенному материалу возможно его глубокое понимание, а оно является необходимым условием прочного усвоения физики.
   Обратим внимание читателя на необходимость систематической и последовательной работы над пособием. Дело в том, что как по объему материала, так и по структуре данная книга существенно отличается от других пособий.
   В книге материал изложен в логической последовательности, соответствующей основному замыслу, и в этой же последовательности он должен изучаться. Лишь внимательное чтение, разбор всех выкладок и их самостоятельный вывод, усвоение логики физических рассуждений приведет к истинному пониманию существа вопроса и автоматически, непроизвольно будет способствовать прочному запоминанию. В этом плане весьма полезно конспектирование материала, особенно той его части, которая обозначена в программе для поступающих в вузы. Определения и выводы старайтесь формулировать точно, сверяясь с текстом пособия, при этом речь идет, конечно, о точности по существу, а не о дословном совпадении формулировок.
   При работе над пособием обратите внимание на описание опытов. Большинство опытов, рассмотренных в книге, — это фундаментальные эксперименты, послужившие основой для разработки той или иной физической теории.
   Высокий теоретический уровень развития физики приводит к тому, что в ней весьма широко используются математические методы и очень многие положения выводятся из основных. Вместе с тем физика как часть естествознания является наукой экспериментальной. Эксперимент служит в ней как исходной базой, поставляющей фактический материал, так и методом проверки того или иного следствия теории. Тем самым эксперимент является критерием истины. С другой стороны, описание в книге ряда экспериментов имеет целью ознакомить читателя с многочисленными применениями физики на практике.
   Физику нельзя изучить, не научившись решать задачи. Для закрепления знаний и совершенствования умения решать задачи можно воспользоваться рядом задачников, изданных в помощь поступающим в вузы. В частности, издан задачник х), в котором все задачи и решения к ним согласованы с теоретическим материалом двухтомного пособия по объему понятий, порядку изложения, системе обозначений и т. и.

  х) Пинский А. А. Задачи по физике. — М.: Физматлит, 1977, 2000.

Как работать над книгой

   Предварительно рассмотрите все примеры, разобранные в двухтомнике, это облегчит решение аналогичных задач. Следует учесть, что решение физических задач (исключая стандартные упражнения) — это творческая деятельность, плохо поддающаяся стандартизации и алгоритмизации. Поэтому не надо впадать в панику, если сразу задачу решить не удалось! Чаще всего это сигнал о поверхностном, формальном усвоении теории. Вернитесь еще раз к соответствующему разделу пособия и изучите его более внимательно. В трудных случаях не следует пренебрегать помощью преподавателя, товарищей, а также указаниями, которые имеются в конце задачника.
   Желаем читателю успехов в работе над данным пособием!
Б.М. Яворский, А.А. Пинский

Часть I




                ДВИЖЕНИЕ И СИЛЫ





Глава 1
СКОРОСТЬ


§1.1. Механическое движение

   1.    Все тела, окружающие нас, от звезд и планет до таких мельчайших частиц, как атомы и их составные части, находятся в состоянии непрерывного движения. Простейшей формой движения является изменение положения тел друг относительно друга — механическое движение.
   Механическое движение лежит в основе действия большин

ства механизмов и машин, в основе движения всех видов транспорта. Вместе с тем оно является и составной частью более сложных, нсмсханичсских процессов. Так, тепловые явления связаны с беспорядочным движением молекул; излучение света — с дви

жением электронов в атомах; ядерные реакции — с движением и взаимодействием элементарных частиц (протонов, нейтронов, мезонов). Число этих примеров можно было бы умножить.
   2.   Для описания движения тела следует указать, как движут

ся все его точки.
   Одним из видов движения тел является поступательное движение, при котором все точки тела движутся совершенно

одинаково; прямая, соединяющая две произвольные точки тела,

переносится параллельно самой себе (рис. 1.1). Очевидно, что для описания поступательного движения тела достаточно описать движение какой-либо одной его точки.
   Другим простым видом движения является вращательное движение, при котором все точки те

Рис. 1.1

ла описывают окружности в парал-
лельных плоскостях, причем центры этих окружностей лежат на одной прямой, называемой осью вращения (рис. 1.2).
   3.    При решении ряда задач механики можно отвлечься от формы и размеров тела и рассматривать тело как материальную

Часть I. Движение и силы

точку. Материальной точкой называется тело, размерами которого можно пренебречь в данной задаче.
   Естественно, что понятие материальной точки является аб-

стракцией, что никаких материальных точек в природе нет. Однако постановка ряда задач механики та-

Рис. 1.2

кова, что позволяет с успехом пользоваться этой абстракцией.
   Действительно, если пассажира интересует, сколько времени нужно самолету, чтобы долететь из Москвы до Новосибирска, то совершенно нс нужно знать характер движения отдельных частей самолета. В то же время нельзя пренебречь размерами и формой

самолета, изучая такие явления, как взлет, посадка, сопротивление воздуха и т. и. Аналогично мы можем считать Землю и другие планеты точками, если нас интересует характер их движения вокруг Солнца. Однако если нужно выяснить причины смены дня и ночи или времен года, то Землю уже нельзя считать точкой, а следует учитывать се размеры, вращение вокруг оси, наклон этой оси к плоскости орбиты и т. и.
   Таким образом, одно и то же тело в одних задачах можно рассматривать как материальную точку, а в других задачах так поступать нельзя.


§ 1.2. Система отсчета. Траектория

   1.    Если рассмотреть явления, происходящие вблизи поверхности Земли, то мы убедимся в неравноценности различных направлений в пространстве. Так, тело, выпущенное из рук, всегда движется по вертикальному направлению вниз (примерно к центру Земли); свободная поверхность жидкости располагается в горизонтальной плоскости; для движения тела по вертикали вверх ему нужно сообщить начальную скорость, для движения же тела по вертикали вниз начальная скорость нс нужна и т. д. Эта неравноценность различных направлений в пространстве вызвана тем, что Земля притягивает к себе тела.
   На весьма значительном расстоянии как от Земли, так и от других планет и звезд мы обнаружили бы, что в пространстве, свободном от больших тел, все направления равноценны. Мы говорим, что свободное пространство изотропно, т. с. в нем нет выделенных направлений, обладающих особыми свойствами.
   Точно так же равноценны все точки пространства, если вблизи этих точек нет больших тел типа планет или звезд. Свободное про

Гл. 1. Скорость

17

странство однородно, т. с. в нем нет точек, обладающих особыми свойствами.
   2.    Однородным является также время. А именно, любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково. Действительно, если сегодня маленький шарик падает с высоты 6 м за 1,1 с, то в этой же лаборатории с этой же высоты он падал столько

же времени и месяц назад, и год назад, и столько же времени его падение будет продолжаться 1000 лет спустя.
   3.    Как мы убедимся далее, из факта однородности времени, однородности и изотропности свободного пространства вытекает ряд важных следствий (см. гл. 23). Одно из них мы можем учесть уже сейчас: раз пространство однородно и изотропно, то невозможно определить положение материальной точки относительно

пространства.
   Однако вполне возможно определить положение одного тела относительно другого. Например, положение лампочки в комна

те полностью задастся се расстоянием от пола и расстояниями до двух взаимно перпендикулярных стен. С помощью такой же тройки чисел можно определить положение любого другого тела,

находящегося как внутри комнаты, так и вне ее.

   Неподвижное тело, относительно которого определяется

положение всех остальных тел, называется телом отсчета.

С

телом отсчета

обычно связывают три взаимно перпендику-

лярные прямые — оси координат (рис. 1.3). Положение точки характеризуется координатами х, у, z.
   Системой отсчета называется система координат, связанная с телом отсчета, и совокупность синхронизированных часов, помещенных в разных точках системы координат. Метод синхронизации часов будет рассмотрен в § 12.3.
   В принципе любое тело может

Рис. 1.3

служить телом отсчета, однако не

все системы отсчета могут оказаться одинаково удобными. Так,

движение автомобиля удоб-

нее рассматривать в системе отсчета, связанной с Землей, а нс с Солнцем или Луной. Наоборот, движение планет удобнее рассматривать в системе отсчета, связанной именно с Солнцем, а нс с Землей или другой планетой, — законы движения планет будут

Часть I. Движение и силы

описываться проще. Некоторые критерии выбора системы отсчета будут рассмотрены ниже.
   4.    Движущаяся точка описывает в заданной системе отсчета линию, которая называется траекторией. Так, если зажечь прутик и быстро вращать его в воздухе, особенно в темной комнате, то отчетливо будет видна траектория движения уголька на конце прутика. Форма траектории зависит от выбора системы отсчета. Действительно, пусть тело падает в вагоне, который движется относительно Земли. Тогда траектория этого тела относительно вагона будет прямой линией, относительно же Земли это будет кривая (при отсутствии сопротивления воздуха — парабола). То же самое можно сказать о траектории, которую описывает какая-либо точка пропеллера движущегося самолета. В системе координат, связанной с самолетом, эта точка движется по окружности; в системе же координат, связанной с Землей, она движется по винтовой линии.
   Таким образом, понятие формы траектории имеет относительный смысл. Нельзя говорить о форме траектории вообще; речь может идти лишь о форме траектории в заданной системе отсчета (системе координат).


   § 1.3. Прямолинейное движение. Закон движения

   1.   Пусть в некоторой системе отсчета материальная точка движется по прямой. Тогда удобно направить вдоль этой траектории одну из осей координат, например ось абсцисс. В каждый момент времени движущаяся точка будет иметь вполне определенную координату. А это значит, что координата движущейся точки есть функция времени: х = f(t). Вид этой функции и есть закон движения.
   2.   Для того чтобы экспериментально определить закон движения, необходимо, чтобы движущаяся точка каким-либо образом оставляла метки на оси координат.
   Пусть, например, нас интересует закон движения эскалатора метрополитена. Для этого можно было бы вдоль стены натянуть бумажную ленту, а стоящему на лестнице экспериментатору дать в руки прибор, который через равные промежутки времени (например, через каждую секунду) наносил бы на ленту метки. Результат эксперимента можно свести в табл. 1.1:
Таблица 1.1

Момент времени t, с  1    2    3    4    5    6    7      8
Координата х, м     1,75 2,50 3,25 4,00 4,75 5,50 6,25 7,00