Физика

ФИЗИКА
Допущено
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для курсантов и студентов
учреждений высшего образования 
по техническим специальностям
 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»
2013

УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
 
Ф50
А в т о р ы :
А.В. Ильюшонок, П.В. Астахов, И.А. Гончаренко, Н.С. Лешенюк, В.И. Терешенков
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра физики Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники;
доцент кафедры физики Белорусского национального технического университета, кандидат физико-математических наук П.Г. Кужир
Ф50
Физика : учебное пособие / А.В. Ильюшонок [и др.]. — 
Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2013. — 600 с. : ил. — 
(Высшее образование).
ISBN 978-985-475-548-9 (Новое знание).
ISBN 978-5-16-006556-4 (ИНФРА-М)
Пособие охватывает все основные темы курса физики, рассмотренные в традиционном порядке. Каждая тема включает краткие 
теоретические сведения, изложение которых сопровождается необходимыми иллюстрациями и таблицами. Приложения содержат перечень основных и дополнительных единиц СИ, а также приставки 
для образования кратных и дольных единиц.
Для студентов и преподавателей высших технических учебных 
заведений.
УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
 
©  ООО «Новое знание», 2013
ISBN 978-985-475-548-9 (Новое знание) 
ISBN 978-5-16-006556-4 (ИНФРА-М)

Оглавление
Введение.
...........................................................................................................................11
Часть I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
Глава 1. Кинематика....................................................................................................14
1.1. Способы описания движения материальной точки.................................15
1.2. Путь и перемещение.............................................................................................16
1.3. Скорость.
...................................................................................................................17
1.4. Ускорение и его составляющие........................................................................19
1.5. Кинематика абсолютно твердого тела...........................................................23
1.6. Сложное движение.
...............................................................................................28
Глава 2. Динамика материальной точки и поступательного 
движения твердого тела.............................................................................................30
2.1. Динамические законы Ньютона.
......................................................................30
2.1.1. Первый закон Ньютона...........................................................................30
2.1.2. Масса и импульс тела. Сила.
.................................................................31
2.1.3. Второй закон Ньютона............................................................................32
2.1.4. Третий закон Ньютона.............................................................................34
2.2. Силы в механике.
...................................................................................................34
2.2.1. Силы трения................................................................................................35
2.2.2. Силы упругости.
.........................................................................................38
2.2.3. Сила тяжести и вес...................................................................................42
2.3. Закон сохранения импульса..............................................................................43
2.3.1. Механическая система.............................................................................43
2.3.2. Центр масс....................................................................................................44
2.3.3. Закон сохранения импульса..................................................................46
2.3.4. Движение тела с переменной массой.................................................46
Глава 3. Работа и энергия.........................................................................................48
3.1. Работа силы.............................................................................................................48
3.1.1. Работа силы. Мощность..........................................................................48
3.1.2. Консервативные и диссипативные силы..........................................50
3.2. Кинетическая и потенциальная энергия......................................................51
3.2.1. Кинетическая энергия.
.............................................................................51
3.2.2. Потенциальная энергия.
..........................................................................52
3.3. Закон сохранения энергии в механике.
.........................................................55
3.4. Графическое представление энергии.
.............................................................56
3.5. Абсолютно упругий и абсолютно неупругий удар...................................58

Оглавление
Глава 4. Динамика вращательного движения.
..................................................62
4.1. Момент силы и момент импульса...................................................................62
4.2. Момент инерции. Теорема Штейнера.
...........................................................65
4.3. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси.
..................................67
4.4. Закон сохранения момента импульса............................................................70
4.5. Кинетическая энергия вращающегося тела. 
Работа при вращении.
..........................................................................................71
4.6. Аналогии между поступательным и вращательным 
движениями.
............................................................................................................73
Глава 5. Всемирное тяготение. Неинерциальные системы отсчета........74
5.1. Закон всемирного тяготения.............................................................................74
5.2. Гравитационное поле и его характеристики.
...............................................75
5.3. Неинерциальные системы отсчета..................................................................78
Глава 6. Основные понятия специальной теории относительности........83
6.1. Принцип относительности Галилея.
...............................................................83
6.2. Постулаты специальной теории относительности. 
Относительность одновременности...............................................................85
6.3. Преобразования Лоренца и следствия из них.
...........................................87
6.4. Интервал между событиями.
.............................................................................90
6.5. Элементы релятивистской динамики............................................................91
Глава 7. Механика жидкостей и газов.
................................................................95
7.1. Гидростатика.
...........................................................................................................95
7.2. Гидродинамика идеальной жидкости.
............................................................97
7.2.1. Уравнение неразрывности......................................................................98
7.2.2. Уравнение Бернулли.
................................................................................99
7.3. Вязкость жидкостей.
..........................................................................................102
Глава 8. Механические колебания.....................................................................107
8.1. Гармонические колебания...............................................................................107
8.1.1. Характеристики гармонических колебаний.................................107
8.1.2. Дифференциальное уравнение свободных 
гармонических колебаний.
...................................................................109
8.1.3. Скорость, ускорение и энергия при гармонических 
колебаниях.
................................................................................................110
8.2. Пружинный, физический и математический маятники......................111
8.3. Свободные затухающие колебания.
.............................................................114
8.4. Вынужденные колебания. Резонанс............................................................116
8.5. Сложение гармонических колебаний одного направления.
...............118

Оглавление 
5
Глава 9. Упругие волны...........................................................................................121
9.1. Продольные и поперечные волны. Длина волны.
..................................121
9.2. Уравнение плоской гармонической волны...............................................123
9.3. Интерференция волн. Стоячие волны.
.......................................................124
9.4. Звуковые волны. У
льтразвук.
.........................................................................126
Часть II. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ 
И ТЕРМОДИНАМИКИ
Глава 10. Идеальные газы......................................................................................130
10.1. Статистический и термодинамический методы...................................130
10.2. Температура. Количество вещества...........................................................133
10.3. Законы идеальных газов.
...............................................................................135
10.4. Уравнение состояния идеального газа.....................................................138
Глава 11. Основные положения молекулярно-кинетической 
теории идеального газа...........................................................................................140
11.1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории................140
11.2. Распределение энергии по степеням свободы.
......................................144
11.3. Распределение Максвелла............................................................................145
11.4. Барометрическая формула. Распределение Больцмана....................149
11.5. Средняя длина свободного пробега молекул.
........................................151
Глава 12. Основы термодинамики......................................................................154
12.1. Внутренняя энергия........................................................................................154
12.2. Работа и теплота...............................................................................................156
12.3. Первое начало термодинамики...................................................................158
12.4. Теплоемкость.
.....................................................................................................159
12.5. Изопроцессы в идеальных газах.
................................................................162
12.6. Обратимые и необратимые процессы. Циклы......................................166
12.7. Второе начало термодинамики...................................................................170
12.8. Энтропия.............................................................................................................172
Глава 13. Реальные газы, жидкости, твердые тела.
....................................177
13.1. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного 
взаимодействия.................................................................................................177
13.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса.........................................................................178
13.3. Изотермы реальных газов.............................................................................180
13.4. Фазовые переходы...........................................................................................186
13.5. Жидкости. Поверхностное натяжение.....................................................189
13.6. Твердые тела.
......................................................................................................195

Оглавление
Глава 14. Элементы физической кинетики.....................................................200
14.1. Флуктуация и релаксация............................................................................200
14.2. Процессы переноса..........................................................................................201
14.3. Молекулярно-кинетическая теория процессов переноса в газах.....203
14.4. Теплопроводность твердых тел...................................................................205
14.5. Связь времени релаксации с размерами области флуктуации.
......206
Часть III. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Глава 15. Электростатика.......................................................................................208
15.1. Электрический заряд. Закон сохранения заряда...............................208
15.2. Закон Кулона...................................................................................................209
15.3. Электрическое поле. Напряженность электрического поля.
.........211
15.4. Силовые линии...............................................................................................213
15.5. Поток вектора напряженности.
.................................................................215
15.6. Теорема Остроградского — Гаусса...........................................................216
15.7. Электрическое поле однородно заряженного шара..........................219
15.8. Циркуляция вектора напряженности.
....................................................220
15.9. Работа электрического поля. Разность потенциалов.......................222
15.10. Потенциал электростатического поля.
...................................................224
15.11. Связь потенциала с напряженностью....................................................227
15.12. Электрический диполь.
................................................................................228
15.13. Проводники в электрическом поле.........................................................232
15.14. Поле вблизи поверхности проводника..................................................234
15.15. Электрическое поле между двумя заряженными плоскостями....236
15.16. Электроемкость.
..............................................................................................238
15.17. Конденсаторы..................................................................................................239
15.18. Энергия электростатического поля.
........................................................241
15.19. Способы соединения конденсаторов......................................................242
15.20. Диэлектрики. Свободные и связанные заряды в диэлектрике.
....245
15.21. Поляризация диэлектриков.......................................................................245
15.22. Роль диэлектриков в конденсаторах......................................................251
15.23. Поляризация диэлектриков в отсутствие электрического поля....252
Глава 16. Постоянный ток.
.....................................................................................257
16.1. Электрический ток........................................................................................257
16.2. ЭДС источника тока. Напряжение на участке цепи........................259
16.3. Закон Ома для участка цепи и для полной цепи..............................262
16.4. Закон Ома в дифференциальной форме...............................................265
16.5. Закон Джоуля — Ленца...............................................................................266
16.6. Способы соединения резисторов.............................................................267
16.7. Правила Кирхгофа.
........................................................................................268

Оглавление 
7
16.8. Способы соединения источников тока..................................................270
16.9. КПД электрической цепи.
...........................................................................272
16.10. Проводимость и сопротивление проводников.
...................................274
16.11. Электрический ток в металлах.................................................................277
16.12. Ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.
.........................................279
16.13. Контактная разность потенциалов..........................................................281
16.14. Термоэлектрические явления....................................................................283
16.15. Электрический ток в газе.
...........................................................................286
16.16. Ток в жидкостях. Законы Фарадея.........................................................291
16.17. Понятие о плазме...........................................................................................295
16.18. Вакуумные диод и триод.
............................................................................297
16.19. Зонная теория энергетического спектра электронов 
в твердом теле.................................................................................................301
16.20. Заполнение зон: металлы, полупроводники, диэлектрики............304
16.21. Уровень Ферми...............................................................................................307
16.22. Дырочная проводимость.
.............................................................................308
16.23. Собственные и примесные полупроводники.
......................................310
16.24. Полупроводниковый переход. Полупроводниковый диод.
............312
16.25. Транзистор. Усилитель на транзисторе.
.................................................314
Глава 17. Магнитное поле.
......................................................................................318
17.1. Магнитное поле и его характеристики.
.................................................318
17.2. Закон Био — Савара — Лапласа..............................................................320
17.3. Магнитное поле прямолинейного проводника с током..................321
17.4. Магнитное поле кругового тока...............................................................322
17.5. Магнитное поле движущегося заряда.
...................................................323
17.6. Закон Ампера..................................................................................................325
17.7. Определение единицы силы тока — ампера.
.......................................326
17.8. Виток с током в магнитном поле.
............................................................327
17.9. Поток и циркуляция вектора магнитной индукции. 
Вихревой характер магнитного поля.....................................................328
17.10. Магнитное поле соленоида.
........................................................................331
17.11. Действие магнитного поля на движущийся заряд. 
Сила Лоренца.
.................................................................................................332
17.12. Движение заряженных частиц в магнитном поле.............................333
17.13. Работа по перемещению проводника с током 
в магнитном поле.
..........................................................................................335
Глава 18. Магнитные свойства вещества.........................................................337
18.1. Магнитное поле в веществе. Намагниченность....................................337
18.2. Напряженность магнитного поля. 
Магнитная проницаемость среды..............................................................339

Оглавление
18.3. Типы магнетиков..............................................................................................342
18.4. Магнитный гистерезис. Спиновая природа ферромагнетизма. 
Точка Кюри.
........................................................................................................344
Глава 19. Электромагнитная индукция.
............................................................348
19.1. Явление и закон электромагнитной индукции. Закон Ленца.
........348
19.2. Самоиндукция. Индуктивность..................................................................350
19.3. Явление взаимной индукции. Взаимоиндуктивность........................352
19.4. Трансформатор..................................................................................................354
19.5. Энергия магнитного поля.............................................................................357
Глава 20. Уравнения Максвелла.
.........................................................................359
20.1. Ток смещения.
....................................................................................................359
20.2. Уравнения Максвелла в интегральной форме......................................361
20.3. Скорость распространения электромагнитного поля. 
Вектор Умова — Пойтинга...........................................................................362
Глава 21. Переменный ток.....................................................................................368
21.1. Получение, параметры, квазистационарные цепи 
переменного тока...........................................................................................368
21.2. Свободные и затухающие колебания в колебательном контуре.
...371
21.3. Переменный ток в цепи с активным сопротивлением....................379
21.4. Переменный ток в цепи с индуктивностью и активным 
сопротивлением.
.............................................................................................380
21.5. Переменный ток в цепи с емкостью и активным 
сопротивлением. Емкостное сопротивление.......................................382
21.6. Вынужденные колебания в электрической цепи. 
Закон Ома для цепи переменного тока.
................................................385
21.7. Резонанс напряжений.
..................................................................................389
21.8. Резонанс токов................................................................................................392
21.9. Мощность в цепи переменного тока.
......................................................395
21.10. Выпрямитель переменного тока. Сглаживающие фильтры.
..........400
21.11. Преобразование и детектирование электрических сигналов........402
21.12. Принцип работы радиопередатчика и супергетеродинного 
приемника.
........................................................................................................404
Часть IV
. ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА
Глава 22. Описание световых полей..................................................................408
Глава 23. Геометрическая оптика.
.......................................................................415
Глава 24. Фотометрия.
.............................................................................................421

Оглавление 
9
Глава 25. Интерференция света..........................................................................429
25.1. Интерференция монохроматических волн.............................................430
25.2. Когерентность и интерференция квазимонохроматических 
волн.
.......................................................................................................................434
25.3. Наблюдение и применение интерференции..........................................440
25.3.1. Классические интерференционные схемы.
...............................440
25.3.2. Интерференция в тонких пленках...............................................443
25.3.3. Интерферометр Майкельсона.
.......................................................450
Глава 26. Дифракция света.
...................................................................................453
26.1. Принцип Гюйгенса — Френеля.
..................................................................453
26.2. Зоны Френеля. Дифракция Френеля на простейших 
препятствиях.
.....................................................................................................455
26.3. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка.........................462
26.4. Дифракция рентгеновских лучей.
..............................................................469
26.5. Принцип голографии......................................................................................472
Глава 27. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом.........477
27.1. Поглощение света.
............................................................................................477
27.2. Дисперсия света................................................................................................479
27.3. Рассеяние света.................................................................................................486
Глава 28. Поляризация света................................................................................491
28.1. Естественный и поляризованный свет.
....................................................491
28.2. Поляризация при отражении света...........................................................493
28.3. Двойное лучепреломление.
...........................................................................495
28.4. Искусственная оптическая анизотропия.
................................................500
28.5. Вращение плоскости поляризации............................................................503
Часть V
. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
Глава 29. Тепловое излучение..............................................................................508
29.1. Законы теплового излучения.
......................................................................508
29.2. Формула Планка. Фотоны.
...........................................................................515
29.3. Оптическая пирометрия................................................................................517
Глава 30. Корпускулярные свойства света.
....................................................522
30.1. Давление света.
..................................................................................................522
30.2. Фотоэффект.
.......................................................................................................524
30.3. Эффект Комптона............................................................................................528
30.4. Корпускулярно-волновой дуализм света................................................530

Оглавление
Глава 31. Элементы квантовой механики........................................................532
31.1. Атомные спектры. Атом водорода по Бору............................................532
31.2. Гипотеза де Бройля. Соотношения неопределенностей....................539
31.3. Волновая функция и ее статистический смысл...................................542
31.4. Уравнение Шрёдингера.
.................................................................................544
31.5. Простейшие задачи квантовой механики...............................................546
31.5.1. Свободная частица в квантовой механике...............................546
31.5.2. Туннельный эффект..........................................................................547
31.5.3. Частица в бесконечно глубокой потенциальной яме...........550
31.5.4. Гармонический осциллятор.
...........................................................552
Глава 32. Элементы физики атомов и молекул.
............................................555
32.1. Атом водорода в квантовой механике......................................................555
32.2. Спин и системы тождественных частиц.
.................................................560
32.3. Молекулярные спектры.................................................................................566
32.4. Люминесценция. Спектральный и люминесцентный анализ.........568
32.5. Спонтанное и вынужденное излучение света. Лазеры......................573
Часть VI. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИР
А
Глава 33. Физика атомного ядра.
........................................................................580
33.1. Характеристики ядер......................................................................................580
33.2. Ядерные силы....................................................................................................581
33.3. Дефект массы и энергия связи ядра.........................................................583
33.4. Ядерные реакции..............................................................................................585
33.5. Радиоактивность...............................................................................................588
Глава 34. Элементарные частицы. Виды взаимодействий.......................591
Глава 35. Структурная организация вещества во Вселенной.
................595
Приложения.
.................................................................................................................597
Литература....................................................................................................................599