Физика. Ч. 1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика. Электричество и магнетизм

И.И. Ташлыкова-Бушкевич
Ôèçèêà
Ôèçèêà
Утверждено
Министерством образования 
Республики Беларусь
в качестве учебника
для студентов учреждений 
высшего образования
по техническим специальностям 
 
В двух частях
Часть 1
Механика. Молекулярная 
физика и термодинамика.
Электричество и магнетизм
2-е издание, исправленное
Минск
«Вышэйшая школа»

УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
 
Т25
Р е ц е н з е н т ы : кафедра теоретической физики и астрономии учреждения 
образования «Брестский государственный университет им. А.С. Пушкина» 
(доктор физико-математических наук, профессор В.А. Плетюхов); доцент кафедры физики учреждения образования «Белорусский национальный технический 
университет» кандидат физико-математических наук Н.П. Юркевич
Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 
части не может быть осуществлено без разрешения издательства.
Ташлыкова-Бушкевич, И. И.
Т25  
Физика : учебник. В 2 ч. Ч. 1. Механика. Молекулярная физика 
и термодинамика. Электричество и магнетизм / И. И. ТашлыковаБушкевич. – 2-е изд., испр. – Минск : Вышэйшая школа, 2014. – 
303 с. : ил.
ISBN 978-985-06-2505-2.
В части 1 рассмотрены нерелятивистская (ньютоновская) и релятивистская механика, включая колебательные и волновые процессы, а также молекулярная физика и термодинамика, электричество и магнетизм.
Содержание учебника соответствует современному уровню разви 
тия 
физики. Материал изложен в максимально доступной и наглядной форме.
В зависимости от тактических задач обучения учебник может быть использован для самостоятельной работы студентов, на аудиторных занятиях под руководством преподавателя, а также для заочной и дистанционной 
форм обучения.
Первое издание вышло в 2013 г.
Для студентов учреждений высшего образования по техническим специальностям.
УДК 53(075.8) 
ББК 22.3я73
ISBN 978-985-06-2505-2 (ч. 1) 
© Ташлыкова-Бушкевич И. И., 2013
ISBN 978-985-06-2507-6 
© Ташлыкова-Бушкевич И. И., 2014, с измене 
     ниями
 
© Оформление. УП «Издательство “Вышэйшая
 
школа”», 2014

Посвящается 50-летию Белорусского государственного университета информатики 
и радиоэлектроники
ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ
Настоящая книга является первой частью учебника «Физика. В двух 
частях» и адресована студентам технических специальностей вузов, а также всем, кто изучает курс общей физики в течение одного, двух или трех 
семестров, включая студентов заочной и дистанционной форм обучения. 
Содержание учебника соответствует программе курса физики для технических специальностей вузов.
Цель книги состоит в следующем:
 
– обеспечить теоретическую подготовку студентов в области физики 
для ориентации в потоке современной научной и технической информации и использования знаний по физике в технике;
 
– в наиболее компактной форме дать такой объем теоретического материала, который необходим для понимания сути рассматриваемых физических явлений.
Актуальность учебника обусловлена, во-первых, существующим дефицитом учебных пособий по физике, согласованных с действующими учебными программами для специальностей инженерно-технического профиля вузов, а во-вторых, важностью обеспечения учебного процесса пособиями, отражающими современный уровень развития физики.
При подготовке издания были поставлены следующие задачи:
 
– дать возможность студентам самостоятельно работать над курсом, 
в том числе при подготовке к практическим и лабораторным занятиям;
 
– позволить лектору дополнять материал, читаемый на лекциях, наглядными примерами, приложениями физических законов в разных областях науки и техники, а также решениями классических задач для объяснения и иллюстрации изучаемых теоретических положений;
 
– достичь максимально высокого качества представления сложно конспектируемых учебных материалов, например графиков, иллюстраций 
и схем.
В первой части учебника изложены нерелятивистская (ньютоновская) 
и релятивистская механика, включая колебательные и волновые процессы, а также молекулярная физика и термодинамика, электричество и магнетизм. Во второй части рассматриваются оптика, квантовая физика, 
строение и физические свойства вещества. В работу включены оригиналь3

ные результаты научных исследований, выполненных автором в рамках 
проектов Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований, а также совместно с учеными России, Германии, Италии, Великобритании и Японии в области физики конденсированного состояния, 
физики водородного материаловедения и физики взаимодействия заряженных частиц с поверхностью кристаллов.
Отличительная особенность данного учебника – краткая и доступная 
форма изложения материала, в том числе физической сути изучаемых явлений, что помогает быстро овладеть основами курса общей физики. 
Каждый раздел структурирован в соответствии с наиболее важными 
вопросами и проблемами и содержит список литературы для углубленного 
знакомства с темами.
Все объяснения даются максимально просто. Усвоению физических 
формул и моделей способствуют многочисленные примеры и иллюстрации. В оформлении материала используется выделение формулировок 
законов, принципов, формул и терминов с помощью различных типографских средств, что облегчает восприятие и запоминание информации. 
Подробный предметный указатель позволяет легко ориентироваться 
в книге.
Учебник базируется на материале лекций, которые читает автор студентам Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. Автор выражает признательность рецензентам пособия.
Автор

ÏÐÈÍßÒÛÅ ÎÁÎÇÍÀ×ÅÍÈß
Векторы обозначены одной буквой со стрелкой (например G
r , G
v); та же 
буква без стрелки (r, v) означает модуль вектора.
Средние величины отмечены скобками < >, например <
>
v
, или с использованием индекса «ср», т.е. vср .
Скалярное произведение векторов G
a и 
G
b обозначается как G G
a b
⋅, а также 
G G
ab  или ( , )
G G
a b .
Векторное произведение двух векторов G
a  и 
G
b  обозначается как G
G
a
b
×
 
или [ , ]
G G
a b .
Символы перед величинами означают:
Δ  – конечное приращение величины, т.е. разность ее конечного 
и начального значений, например ΔE
E
E
k
k
k
=
−
2
1 ;
−Δ  – убыль величины, т.е. разность ее начального и конечного 
значений, например −
=
−
ΔE
E
E
p
p
p
1
2 ;
d – дифференциал (бесконечно малое приращение), например dr
G;
δ – элементарное значение величины, например элементарная работа δA;
=  – равно;
≡ – тождественно равно;
≈ – приблизительно равно;
~  – пропорционально.
Орты – единичные векторы:
G G G
i
j k
, ,
 – орты декартовых координат;
G
n – орт нормали к контуру или элементу поверхности;
G
τ – орт касательной к контуру или границе раздела.
Производная по времени от произвольной функции f(t) обозначена 
df dt  или ∂
∂
f
t , когда f – функция нескольких переменных, или точкой, 
стоящей над функцией, – 
f .
Производная п-го порядка от произвольной функции f x
( )  обозначена 
d f dx
n
n .
Математические символы:
lim  – предел функции;
∞ – бесконечность;
⇒ – следует;
→ – стремится к …;
⊥ – перпендикулярно;
||  – параллельно;
↑↑ – параллельно и одинаково направлено;
5

↑↓ – параллельно и направлено в противоположные стороны;
const – обозначение постоянства величины, например 
G
E = const – 
вектор 
G
E постоянен по модулю и по направлению, A = const – величина А является постоянной;
( , )
G  G
a b
  
 – угол между векторами G
a и 
G
b;
inv – обозначение величины инвариантной, т.е. одинаковой для 
всех инерциальных систем отсчета;
n
или 
i
i
∑означает суммирование величины, стоящей справа от 
=
∑
1
∑по всем индексам от i =1 до i
n
=  включительно;
b
∫ – определенный интеграл;
a
∫– неопределенный интеграл; в зависимости от элемента интегрирования, например dV – элемента объема, dS – элемента поверхности и dl – элемента контура, может быть записан соответственно как ,
L
∫
V
∫ 
S
∫и ;
,
v
∫ или 
,
L
v
∫ или 
S
v
∫– интегрирование соответственно по замкнутому 
контуру или по замкнутой поверхности.
Векторный оператор 
G
∇ (набла). Операции с ним обозначены так:
G
∇E p  – градиент E p  ( gradE p );
G
G
∇⋅E – дивергенция 
2
2
G
E ( div
G
E );
G
G
∇×E – ротор 
G 2
2
2
2
2
x
y
z .
G
E ( rot
G
E ).
Оператор Лапласа Δ (лапласиан): Δ = ∇= ∂
∂
+ ∂
∂
+ ∂
∂
Îáîçíà÷åíèÿ è íàçâàíèÿ îñíîâíûõ åäèíèö ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí
А – ампер
К – кельвин
рад – радиан
В – вольт
кал – калория
с – секунда
Вб – вебер
Кл – кулон
См – сименс
Вт – ватт
м – метр
Тл – тесла
г – грамм
мин – минута
Ф – фарад
Гн – генри
Н – ньютон
ч – час
Гц – герц
Ом – ом
эВ – электрон-вольт
Дж – джоуль
Па – паскаль

ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Физика образует фундамент основных направлений техники, таких 
как радиотехника, электроника, электротехника и энергетика, строительная техника, гидротехника, светотехника, значительная часть военной 
техники. Поэтому можно утверждать, что физика – это фундаментальная 
основа подготовки инженера. Взаимосвязь физики и техники очевидна. 
Например, без овладения физическими законами тяготения ракеты 
и спутники не улетели бы в космос и человечество не получило бы многих 
новых данных об основах и принципах строения Вселенной. Без знаний 
закономерностей взаимодействия ускоренных ионов с полупроводниками 
нельзя было бы создать большинство полупроводниковых приборов, микросхем и целых компьютеров. Успехи в физике полупроводников совершили переворот в радиотехнике. С заменой радиоламп на полупроводниковые приборы, а затем на микросхемы и наноструктурные схемы повысилась надежность, снизилось потребление энергии.
В свою очередь конструирование полупроводниковых детекторов энергии частиц на базе ионно-имплантированных кристаллов позволило открыть новые физические законы и эффекты движения и рассеяния ускоренных частиц в кристаллах. Например, эффекты каналирования, теней 
позволили изучить в экспериментах пространственное распределение элементного состава, дефектов в ионно-облученных кристаллах, а также время 
жизни ядер и механизмы ядерных реакций. Это обеспечило создание соответствующих технологий в полупроводниковой промышленности.
Конечно, в современной физике остаются нерешенные проблемы. Перечислим некоторые из них:
 
– в физике твердого тела – проблемы сверхпроводимости при сравнительно высоких температурах; задачи получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механической прочности, теплостойкости, 
электрических, магнитных, оптических характеристик. Например, в результате сверхбыстрой закалки из расплава создаются микроструктуры, 
характеризуемые измельчением зерен, уменьшением размера выделений 
вторых фаз, расширением границ растворимости в твердом состоянии 
и образованием метастабильных кристаллических фаз. Получаемые быстрозатвердевшие сплавы широко используются для микроэлектроники, 
в аэрокосмической и транспортной промышленности;
 
– в астрофизике – состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звезд и «черных дыр»;
 
– в физике плазмы – работы над управляемым термоядерным синтезом; объяснение ускорения заряженных частиц при вспышках сверхновых 
звезд, излучения пульсаров и др.;
7

 
– в квантовой электронике – проблемы нелинейной оптики при создании лазеров с перестраиваемой частотой излучения, с повышенной мощностью;
 
– в физике элементарных частиц – создание обобщенной теории.
Отметим, что подлинная революция в экспериментальных исследованиях различных областей физики (взаимодействия элементарных частиц, 
физики твердого тела, квантовой электроники, радиоастрономии) связана 
с применением ЭВМ для обработки информации и  
моделирования физических процессов. Основное требование, предъявляемое к компьютерному моделированию, заключается в согласованности получаемых результатов с реальным экспериментом и существующими теориями. Например, 
исследование элементного и ком 
позиционного составов образцов ядерно-физическим методом резерфордовского обратного рассеяния выполняют с использованием ком 
пьютерных моделирующих программ, таких 
как RUMP (РАМП), SIMNRA (СИМНРА).
Программа курса физики способствует формированию у студентов научного мировоззрения, на основе которого складываются основные представления о современной физической картине мира.
Цели курса:
 
– изучение основных понятий, законов, принципов и теорий классической и квантовой физики;
 
– изучение основных физических явлений и процессов и их трактовка 
с точки зрения современных научных представлений;
 
– формирование современного физического мышления и научного 
мировоззрения;
 
– ознакомление с методами физических исследований.
Основные задачи курса:
 
– теоретически подготовить студентов в области физики, включая основы физики на современном уровне ее развития, чтобы они могли ориентироваться в потоке научной и технической информации и использовать 
знания по физике в технике;
 
– ознакомить с современной научной аппаратурой, сформировать навыки проведения физического эксперимента и решения конкретных задач 
из отдельных разделов физики, умение оценивать степень достоверности 
результатов, полученных в экспериментальных или теоретических исследованиях.

ÐÀ Ç Ä ÅË  1. ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ ÌÅÕÀÍÈÊÈ
ÒÅÌÀ 1. ÔÈÇÈÊÀ ÊÀÊ ÔÓÍÄÀÌÅÍÒÀËÜÍÀß ÍÀÓÊÀ
1.1. Ïðåäìåò ôèçèêè. Âàæíåéøèå ýòàïû ðàçâèòèÿ ôèçèêè
Физика (от греч. physis – природа) – это наука, изучающая простейшие 
и вместе с тем наиболее общие свойства и законы движения окружающих 
нас объектов материального мира. Материя – познаваемая объективная 
реальность, все то, что окружает нас и что мы воспринимаем приборами 
или органами чувств. Понятия физики и ее законы лежат в основе всего 
естествознания. В античной культуре эта наука охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. По мере дифференциации знаний 
и методов исследований из нее выделились отдельные науки, в том числе 
физика в том виде, в котором мы ее используем и изучаем.
Физика – точная экспериментальная наука. Процесс познания мира 
бесконечен. Наши знания на каждой ступени развития науки обусловлены исторически достигнутым уровнем познания и не могут считаться 
окончательными, полными, они являются относительными, т.е. нуждаются в дальнейшем развитии, проверке и уточнении. Вместе с тем всякая научная теория содержит элементы абсолютного, т.е. полного, знания и означает определенную ступень в познании объективного мира. Например, 
развитие науки установило пределы, в которых справедлива ньютоновская механика. В настоящее время ньютоновская механика является составной частью физической науки в целом.
Несколько слов о взаимосвязи физики с другими разделами естествознания. Для всех наук естествознания (астрономии, биологии, химии 
и т.д.) общим языком является язык математики. Взаимопроникновение 
наук таково, что, например, сегодня самостоятельно развиваются и физическая химия (термин ввел Ломоносов в 1752 г.), и биофизика (1961 г.). 
Физическая химия включает такие разделы, как квантовая химия, физико-химическая механика, электрохимия и др., и объясняет химические 
явления, устанавливает их общие закономерности на основе принципов 
физики с использованием физических экспериментальных методов. Биофизика – раздел науки, посвященный изучению физических и физикохимических явлений в биологических объектах.
Физика включает ряд взаимосвязанных разделов. По изучаемым объектам выделяют физику твердых, жидких и газообразных тел, физику элементарных частиц и физических полей, физику ядра, физику атомов и молекул, физику плазмы. Изучая формы или процессы движения материи, 
9

рассматривают механическое движение, тепловые процессы, электромагнитные явления, гравитационные, сильные и слабые взаимодействия. 
Выделяют механику материальных точек и твердых тел, механику сплошных сред, термодинамику, статистическую физику, электродинамику 
(включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую 
теорию поля.
Отметим, что механика как наука зародилась в эпоху греко-римской 
культуры около V в. до н.э. Однако первая фундаментальная физическая 
теория – классическая механика Ньютона – создана лишь в XVII в.  
С появлением механики Ньютона было показано, что задача науки заключается в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов 
природы.
ÒÅÌÀ 2. ÝËÅÌÅÍÒÛ ÊÈÍÅÌÀÒÈÊÈ ÌÀÒÅÐÈÀËÜÍÎÉ ÒÎ×ÊÈ 
È ÒÂÅÐÄÎÃÎ ÒÅËÀ
2.1. Ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà. Àáñîëþòíî òâåðäîå òåëî
Механика – область физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение.
Механическое движение – изменение взаимного расположения тел или 
их частей в пространстве с течением времени.
В нерелятивистской (ньютоновской) механике рассматривают механические движения макроскопических тел со скоростями, во много раз 
меньшими скорости света в вакууме. При этом выделяют следующие разделы: кинематику, которая изучает движение тел, не рассматривая причины, вызывающие это движение; динамику, которая изучает за 
коны движения тел и причины, вызывающие или изменяющие это движение.
Для описания движения тел в зависимости от условий конкретных 
 
задач в механике используются следующие упрощенные физические 
 
модели.
Материальная точка (частица) – тело, размерами которого в условиях 
данной задачи можно пренебречь.
Абсолютно твердое тело – тело, деформацией которого под действием 
приложенных сил в условиях данной задачи можно пренебречь. При этом 
расстояние между любыми двумя точками этого тела в процессе движения 
не меняется.
Абсолютно упругое тело – тело, которое после прекращения внешнего 
силового воздействия полностью восстанавливает свои первоначальные 
размеры и форму.
10