Физика в вузе. Современный учебник по механике

Москва
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК
ИНФРА-М
2021

C.И. Кузнецов

ФИЗИКА В ВУЗЕ
СОВРЕМЕННЫЙ УЧЕБНИК 
ПО МЕХАНИКЕ

Монография

Кузнецов С.И.
Физика в вузе. Современный учебник по механике : монография / 
C.И. Кузнецов. — Москва : Вузовский учебник : ИНФРА-М, 2021. — 
264 с. — (Научная книга).

ISBN 978-5-9558-0324-1 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-008984-3 (ИНФРА-М)

Монография содержит дидактический анализ состава, структуры и 
функций современного учебника по физике, его достоинств и ограничений, 
способов интеграции в учебный процесс.
На примере учебника по механике рассмотрены основные вопросы 
первой части курса физики. Учитываются наиболее важные достижения в 
современной науке и технике, уделяется большое внимание физике различных природных явлений. Для организации самостоятельной работы 
студентов анализируется решение многих физических задач, даны задачи для 
самостоятельного решения. Приводится большое количество иллюстраций, 
рисунков, диаграмм, графиков, методических и технологических рекомендаций по созданию и применению современных учебников. Подготовлена 
на кафедре общей физики ТПУ в соответствии с требованиями образовательного Госстандарта.
Предназначена для преподавателей вузов, колледжей, слушателей ФПК, 
магистров и студентов технических вузов.

 ББК 22.3

К89

Подписано в печать 25.09.2016. 
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать офсетная. Усл. печ. л. 16,17. Уч.-изд. л. 15,38.
ПТ9.
ТК 222600-12455-250413

Издательский Дом «Вузовский учебник»
127247, Москва, ул. С. Ковалевской, д. 1, стр. 52
www.vuzbook.ru

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86.     Факс: (495) 280-36-29.
E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru

Р е ц е н з е н т ы:
А.В. Шаповалов – доктор физико-математических наук, профессор, 
заведующий кафедрой теоретической физики ТГУ;
А.Г. Парфенов – доктор физико-математических наук, профессор, 
заведующий кафедрой общей информатики ТГПУ

УДК 53(075.4)
ББК 
22.3
 
К89

ISBN 978-5-9558-0324-1 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-008984-3 (ИНФРА-М)
© Вузовский учебник, 2014

3

Называть вещи своими именами 
– это начало мудрости

Китайская поговорка

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 6ВИДЫ СОВРЕМЕННЫХ УЧЕБНЫХ ИЗДАНИЙ, МЕТОДИЧЕСКИЕ 
РЕКОМЕНДАЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ .................. 71. Общие положения ...................................................................................................... 72. Виды учебных изданий .............................................................................................. 72.1. Учебно-теоретические издания .............................................................................. 72.2. Учебно-практические издания ............................................................................... 92.3. Учебно-методические издания ............................................................................. 103. Требования, предъявляемые к учебной литературе .............................................. 133.1. Общие требования ................................................................................................. 133.2. Требования к содержанию .................................................................................... 133.3. Требования к качеству информации.................................................................... 143.4. Требования к стилю изложения ........................................................................... 14ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА» ......................... 15СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ ................................................................................. 18КУРС ФИЗИКИ С ПРИМЕРАМИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ. 
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ................................................................................................ 20ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................... 21КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ КНИГОЙ ............................................................................. 23МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ........................................ 25ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КНИГЕ ..... 26ВСТУПЛЕНИЕ ............................................................................................................ 27ГЛАВА 1. ПРЕДМЕТ ФИЗИКИ  И ЕЁ СВЯЗЬ С ДРУГИМИ НАУКАМИ ........ 291.1. Предмет физики ..................................................................................................... 291.2. Теория и эксперимент в физике ........................................................................... 301.3. Физика и другие науки .......................................................................................... 321.4. Пространственно-временные отношения ........................................................... 34ГЛАВА 2. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ ....................................... 372.1. Понятие механики. Модели в механике .............................................................. 372.2. Система отсчета, тело отсчета. Сведения о векторах ....................................... 382.3. Кинематика материальной точки ......................................................................... 412.4. Кинематика твердого тела .................................................................................... 48Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................................... 51Примеры решения задач .............................................................................................. 52Задачи для самостоятельного решения ...................................................................... 57ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ ........ 613.1. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы .............................................. 613.2. Масса и импульс тела ............................................................................................ 633.3. Второй закон Ньютона. Принцип суперпозиции ............................................... 643.4. Третий закон Ньютона .......................................................................................... 65

4

3.5. Импульс произвольной системы тел ................................................................... 653.6. Основное уравнение динамики поступательного  движения произвольной 
системы тел ................................................................................................................... 673.7. Закон сохранения импульса и однородность пространства .............................. 68Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................................... 70Примеры решения задач .............................................................................................. 71Задачи для самостоятельного решения ...................................................................... 74ГЛАВА 4. СИЛЫ В МЕХАНИКЕ ............................................................................... 774.1. Виды и категории сил в природе ......................................................................... 774.2. Сила тяжести и вес тела ........................................................................................ 784.3. Упругие силы ......................................................................................................... 794.4. Деформация сдвига* ............................................................................................. 844.5. Силы трения ........................................................................................................... 85Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................................... 87Примеры решения задач .............................................................................................. 88Задачи для самостоятельного решения ...................................................................... 93ГЛАВА 5. НЕИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА .................................... 975.1. Уравнение Ньютона для неинерциальных систем отсчета ............................... 975.2. Центростремительная и центробежная силы...................................................... 985.3. Вклад вращения Земли в ускорение свободного падения ................................. 995.4. Сила Кориолиса ................................................................................................... 101Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................................ 104Примеры решения задач ............................................................................................ 106Задачи для самостоятельного решения .................................................................... 109ГЛАВА 6. ЭНЕРГИЯ. РАБОТА. МОЩНОСТЬ. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ... 1136.1. Кинетическая энергия. Работа и мощность ...................................................... 1136.2. Консервативные силы и системы ...................................................................... 1156.3. Потенциальная энергия ....................................................................................... 1166.4. Закон сохранения механической энергии ......................................................... 1196.5. Условие равновесия механической системы .................................................... 1206.6. Применение законов сохранения* ..................................................................... 121Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................................ 125Примеры решения задач ............................................................................................ 127Задачи для самостоятельного решения .................................................................... 134ГЛАВА 7. ДИНАМИКА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО 
ТЕЛА ............................................................................................................................... 1377.1. Вращательное движение твердого тела относительно точки ......................... 1377.2. Вращательное движение твердого тела относительно оси ............................ 1407.3. Расчет моментов инерции некоторых простых тел. Теорема Штейнера ...... 1427.4. Кинетическая энергия вращающегося тела ...................................................... 1447.5. Закон сохранения момента импульса ................................................................ 1457.6. Фундаментальность законов сохранения  и их связь с симметрией 
пространства и времени ............................................................................................. 1477.7. Сходство и различие линейных и угловых характеристик движения и связь 
между ними ................................................................................................................. 149Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................................ 151Примеры решения задач ............................................................................................ 152Задачи для самостоятельного решения .................................................................... 155

ГЛАВА 8. ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА. ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА ............ 1598.1. Теория тяготения Ньютона ................................................................................. 1598.2. Поле тяготения. Напряженность гравитационного поля................................. 1628.3. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения ...................................... 1638.4. Принцип эквивалентности масс* ....................................................................... 1678.5. Законы Кеплера. Космические скорости .......................................................... 168Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................................ 172Примеры решения задач ............................................................................................ 173Задачи для самостоятельного решения .................................................................... 178ГЛАВА 9. ЭЛЕМЕНТЫ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТИ И ГАЗОВ ......................... 1819.1. Поверхностное натяжение жидкости ................................................................ 1819.2. Смачивание. Капиллярные явления .................................................................. 1829.3. Давление в неподвижных жидкостях и газах ................................................... 1849.4. Уравнение неразрывности .................................................................................. 1869.5. Уравнение Бернулли и его применение* .......................................................... 187Применение уравнения Бернулли ............................................................................. 1899.6. Течение жидкости. Вязкость .............................................................................. 190Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................................ 192Задачи для самостоятельного решения .................................................................... 197ГЛАВА 10. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ...................... 20110.1. Принцип относительности Галилея. Закон сложения скоростей ................. 20110.2. Принцип относительности Эйнштейна ........................................................... 20510.3. Преобразования Лоренца .................................................................................. 20610.4. Следствия из преобразований Лоренца .......................................................... 20710.5. Сложение скоростей в релятивистской механике .......................................... 21110.6. Релятивистская механика ................................................................................. 21410.7. Взаимосвязь массы и энергии покоя ............................................................... 217Контрольные вопросы. Упражнения ........................................................................ 221Примеры решения задач ............................................................................................ 223Задачи для самостоятельного решения .................................................................... 227ГЛАВА 11. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ 
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ* ............................................................................................ 23111.1. Обобщение закона тяготения Ньютона ........................................................... 23111.2. Принцип эквивалентности сил инерции и сил тяготения ............................. 23211.3. Теория тяготения Эйнштейна. Основные положения ОТО .......................... 23311.4. Следствия из принципа эквивалентности, подтверждающие ОТО .................. 235ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................ 239СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................................... 241ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ ............................................................... 243ГЛОССАРИЙ ............................................................................................................ 251ПЕРСОНАЛИЯ ......................................................................................................... 257ПРИЛОЖЕНИЕ ........................................................................................................ 261

--

7

ВИДЫ СОВРЕМЕННЫХ УЧЕБНЫХ ИЗДАНИЙ, 
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ, 
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

1. Общие положения

Издание учебной литературы  является одним из важных факторов, 
обеспечивающих повышение качества высшего профессионального образования.
Учебные издания, как правило, содержат систематизированные 
сведения научного или прикладного характера, изложенные в форме, 
удобной для изучения и преподавания, и рассчитаны на студентов высших учебных заведений.
К основным видам учебных изданий, предназначенных для успешной организации и проведения образовательного процесса, относятся:
учебно-теоретические издания,
учебно-практические издания,
учебно-методические издания.
Учебные издания могут иметь  печатную или  электронную форму 
публикации.
Официальное утверждение учебное издание получает через процедуру грифования  Министерством образования и науки  Российской Федерации, Учебно-методическим объединением по соответствующим направлениям и специальностям, Научно-методическими советами Министерства образования и науки  Российской Федерации.

2. Виды учебных изданий

2.1. Учебно-теоретические издания

Особое место среди всех видов учебной литературы занимают 
учебник и  учебное пособие, так как именно в них отражено основное 
содержание учебных программ.
2.1.1. Учебник – это основное учебное издание, содержащее систематическое изложение учебной дисциплины, соответствующее учебной 
программе,  и официально утвержденное в качестве данного вида издания. Это основная учебная книга по конкретной дисциплине,  в которой 
излагается система базовых знаний, обязательных для усвоения обу

8

чающимися. Название учебника должно соответствовать наименованию 
дисциплины  ГОС ВПО.
Допускается создание учебника по отдельному разделу или части 
учебной дисциплины при условии, что  они входят самостоятельными 
дидактическими единицами в  учебный план основной образовательной 
программы  и для них разрабатываются учебные программы.
Учебник, как правило, создается на базе апробированного пособия.
Учебник должен отвечать следующим основным требованиям: 
а) соответствовать примерной учебной программе дисциплины;
б) содержать основную информацию по дисциплине, без перегрузки учебного материала излишними подробностями;
в) строиться на основе широких научных обобщений и освещать 
достижения современной отечественной и мировой науки и техники;
г) содержать научно-теоретические положения и ясно сформулированные выводы, законы, правила, типовые расчеты, примеры и задачи с 
раскрытием принципов и методов их решений; иллюстрации, схемы, 
чертежи, таблицы, диаграммы, а также вопросы истории развития науки 
и техники, способствующие усвоению излагаемого материала;
д) обеспечивать преемственность и взаимосогласованность учебных изданий для разных образовательных уровней как внутри одной 
дисциплины, так и между всеми дисциплинами учебного плана, а также 
преемственность между этапами высшего и послевузовского образования;
е) содержать указатель литературы для дальнейшей углубленной и 
самостоятельной работы по данной дисциплине;
ж) отличаться краткостью и ясностью изложения, четкостью определений, а также точностью,  достоверностью и обоснованностью приводимых сведений; доступностью их для понимания студентами соответствующих курсов;
з) обновляться по общегуманитарным и социально-экономическим, 
а также по cпециальным дисциплинам один раз в 5  лет, по естественнонаучным и математическим, а также по общепрофессиональным дисциплинам – один раз в 10 лет.
2.1.2. Учебное пособие - учебное издание, дополняющее или частично (полностью) заменяющее учебник, официально утвержденное в 
качестве данного вида издания. Учебное пособие может охватывать не 
всю дисциплину, а лишь часть или несколько наиболее важных разделов дисциплины.  В отличие от учебника пособие может включать не 
только апробированные, общепризнанные знания и положения, но и 
дискуссионные мнения, гипотезы и концепции.

9

Учебное пособие имеет своей целью решение конкретных задач 
обучения (информационных, тренировочных, проверочных и др.).
В случае введения в учебный план новой дисциплины (новых тем) 
предполагается выпуск учебного пособия.
К учебным пособиям принято относить следующие:
- учебное пособие по части курса. Как правило, содержит материал для будущего учебника или материал, дополняющий 
 уже 
имеющийся учебник; включает сведения в объеме, превышающем учебную 
программу, или же отражает часть программы;
- тексты лекций (авторский курс лекций). Полностью или частично освещают содержание учебной дисциплины либо поднимают 
проблемы, выходящие за рамки учебной программы; 
- конспект лекций. В компактной форме отражает материал всего 
курса, читаемого определенным преподавателем. Конспекты лекций могут быть изданы по дисциплинам новых направлений науки и техники, 
по которым отсутствует учебная литература.

2.2. Учебно-практические издания

К учебно-практическим изданиям относятся учебные издания, способствующие усвоению,  закреплению изученного материала и проверке знаний студентов.
Сборник задач.  Содержит задачи и описание методов их  решения 
в объеме пройденного курса. Как правило, все темы, по которым предложены задачи,  снабжены краткими теоретическими сведениями. Приводятся варианты типовых задач для самостоятельного решения студентами. Большое число задач  позволяет использовать данный вид учебного издания на практических занятиях, для выполнения контрольных работ, а также для самостоятельного изучения.  
Сборник упражнений. Содержит упражнения и методические рекомендации по применению теоретического материала в процессе выполнения упражнений в объеме определенного курса.
Сборник иностранных текстов. Содержит иностранные тексты 
для изучения иностранного языка с учетом специфики основной образовательной программы высшего профессионального образования.
Практикум. Содержит практические задания и упражнения.  
Сборник тестов. Содержит набор тестов, позволяющих оценить 
уровень знаний студентов по конкретным дисциплинам. 
Атлас – учебно-наглядное пособие, содержащие изображение различных объектов (иллюстративный материал), служащий для учебных и 
практических целей. 

10 

Рабочая тетрадь. Учебное пособие, имеющее особый дидактический аппарат, способствующий самостоятельной работе студента по освоению учебной дисциплины.

2.3. Учебно-методические издания

Учебно-методические издания призваны оказывать индивидуальную помощь студентам в изучении основных понятий, идей, теорий и 
положений дисциплины  и способствуют развитию их умений и навыков. Используются для повышения эффективности самостоятельной работы студентов, для преподавателя на занятиях являются руководством 
по организации учебно-профессиональной деятельности студентов.
2.3.1. Рабочая программа – расширенный вариант учебной программы, определяющий объём, содержание, порядок изучения и преподавания учебной дисциплины, а также способы контроля результатов её 
усвоения, соответствующий требованиям ГОС ВПО и учитывающий 
специфику подготовки студентов по избранной специальности.
2.3.2. Программы практик могут быть как сквозные, включающие все виды практик в период обучения по соответствующей специальности, так и рабочие – по каждому виду практики отдельно. 
Программы практик являются основными документами, определяющими последовательность, содержание и методы формирования 
практических навыков, необходимых студентам в дальнейшей производственной работе. В программах практик предусматриваются: введение, в котором определяется соответствие требованиям ГОС ВПО; цели 
и задачи; характеристика базы практики; тематический план; содержание практики, отражающее основные положения изучаемой дисциплины (дисциплин); вопросы охраны труда и окружающей среды; перечень 
производственных экскурсий, занятий, лекций, бесед; схема отчетов; 
список рекомендуемой литературы, вопросы и требования к зачету. 
В сквозных программах излагаются содержание и последовательность  овладения студентами необходимыми практическими навыками 
по этапам обучения (по курсам), устанавливается  взаимосвязь учебных 
(ознакомительных) и всех других видов практик, включая  преддипломную.
В рабочих программах по конкретному виду практики определяются содержание и сроки практики в соответствии с учебным планом, вопросы охраны труда, индивидуальное задание, порядок подготовки и 
сроки защиты студенческих отчетов.  
2.3.3. Методические указания по организации практик, как 
правило, предназначены в первую очередь для преподавателей – руко