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