Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Физика: Конспект лекций в форме презентаций. В двух частях. Часть I

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 788057.01.99
Учебное пособие представляет собой конспект лекций по общей физике, включающий разделы: «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электростатика», «Постоянный электрический ток», «Магнетизм». В основу конспекта положен материал лекций, которые авторы читают в РУТ (МИИТ) для студентов ИУЦТ и ИТТСУ. Учебное пособие предназначено для студентов специальностей и направлений ИУЦТ, ИТТСУ, ИПСС и вечернего факультета.
Никитенко, В. А. Физика: Конспект лекций в форме презентаций. В двух частях. Часть I : курс лекций / В. А. Никитенко, С. М. Кокин. - Москва : РУТ (МИИТ), 2020. - 174 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1896862 (дата обращения: 21.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» 
 
Институт управления и цифровых технологий 
Кафедра «Физика» 
 
 
 
В.А. НИКИТЕНКО, С.М. КОКИН 
 
ФИЗИКА 
 
Конспект лекций в форме презентаций 
В двух частях 
Часть I 
 
 
 
 
 
МОСКВА – 2020 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» 
 

Институт управления и цифровых технологий 

Кафедра «Физика» 

 
 

В.А. НИКИТЕНКО, С.М. КОКИН 

 

ФИЗИКА 

 

Конспект лекций в форме презентаций 

В двух частях 

Часть I 

 

для студентов специальностей ИУЦТ, ИТТСУ, ИПСС и вечернего факультета 

 
 
 
 

МОСКВА – 2020 

УДК 530.1 (076) 
Н62 
 

Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика: Конспект лекций в форме презентаций. В двух ча
стях. Часть I. – М.: РУТ (МИИТ), 2020. – 174 с. 
 

Учебное пособие представляет собой конспект лекций по общей физике, включающий 

разделы: «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика», «Электростатика», «Постоянный электрический ток», «Магнетизм». В основу конспекта положен материал лекций, которые авторы читают в РУТ (МИИТ) для студентов ИУЦТ и ИТТСУ. 

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей и направлений ИУЦТ, 

ИТТСУ, ИПСС и вечернего факультета. 
 

Рецензенты: 

– зав. лабораторией ФИАН заслуженный деятель науки РФ профессор Горелик В.С. 
– зав. кафедрой физики и химии РОАТ РУТ (МИИТ) профессор Шулиманова З.Л. 
 
 
 

© РУТ (МИИТ), 2020 

 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие……………………………………………………………………………………………………………………….8 
1 Физические основы механики ................................................................................................................................................... 9 
1.1 Классическая механика (общие представления) ...................................................................................................................... 9 
1.2 Простейшие виды движения ...................................................................................................................................................... 9 
1.3 Кинематика ................................................................................................................................................................................10 

1.3.1 Основные понятия кинематики ............................................................................................................................10 
1.3.2 Равномерное движение ..........................................................................................................................................15 
1.3.3 Равнопеременное движение ..................................................................................................................................17 
1.3.4 Графики движения .................................................................................................................................................18 
1.3.5 Равнопеременное вращение ..................................................................................................................................19 

1.4 Динамика ....................................................................................................................................................................................20 

1.4.1 Общие замечания ...................................................................................................................................................20 
1.4.2 Законы Ньютона .....................................................................................................................................................22 
1.4.3 Разложение сил .......................................................................................................................................................23 
1.4.4 Центр масс системы материальных точек ...........................................................................................................24 
1.4.5 Закон сохранения импульса ..................................................................................................................................25 
1.4.6 Уравнение движения тела переменной массы ....................................................................................................26 

1.5 Динамика вращательного движения .......................................................................................................................................27 

1.5.1 Момент силы ..........................................................................................................................................................27 
1.5.2 Центр тяжести ........................................................................................................................................................28 
1.5.3 Момент инерции.....................................................................................................................................................28 
1.5.4 Теорема Штейнера .................................................................................................................................................30 
1.5.5 Момент импульса и закон его сохранения ..........................................................................................................31 
1.5.6 Основной закон динамики вращательного движения (аналогии) ....................................................................33 
1.5.7 Свободные оси. Главные оси инерции ................................................................................................................34 
1.5.8 Гироскопы ...............................................................................................................................................................35 

1.6 Работа. Мощность. Энергия .....................................................................................................................................................36 

1.6.1 Работа силы. Мощность ........................................................................................................................................36 
1.6.2 Кинетическая и потенциальная энергия ..............................................................................................................38 

1.6.3 Кинетическая энергия тела при плоском движении ..........................................................................................39 
1.6.4 Первая и вторая космические скорости ...............................................................................................................40 
1.6.5 Поле сил. Потенциальная энергия ........................................................................................................................41 
1.6.6 Закон сохранения механической энергии............................................................................................................44 
1.6.7 Соударения тел .......................................................................................................................................................45 

1.7 Деформация твердого тела .......................................................................................................................................................46 
1.8 Элементы механики жидкости .................................................................................................................................................47 
1.9 Специальная теория относительности (СТО) ........................................................................................................................49 

1.9.1 Преобразования Галилея. Неинерциальные системы отсчета ..........................................................................49 
1.9.2 Постулаты СТО. Преобразования Лоренца ........................................................................................................51 
1.9.3 Следствия из преобразований Лоренца ...............................................................................................................52 
1.9.4 Основы релятивистской динамики ......................................................................................................................53 
1.9.5 Энергия тела в СТО ...............................................................................................................................................54 

1.10 Контрольные вопросы ............................................................................................................................................................55 
 
2 Молекулярная физика и термодинамика  ............................................................................................................................58 
2.1 Молекулярная физика ...............................................................................................................................................................58 

2.1.1 Школьные знания по МКТ ....................................................................................................................................58 
2.1.2 Основное уравнение МКТ. Средняя энергия молекул .......................................................................................60 
2.1.3 Распределение Максвелла молекул по скоростям ..............................................................................................64 
2.1.4 Опыт Ламмерта.. ....................................................................................................................................................66 
2.1.5 Распределение Больцмана. Барометрическая формула .....................................................................................67 
2.1.6 Распределение Максвелла-Больцмана .................................................................................................................68 
2.1.7 Средняя длина свободного пробега .....................................................................................................................69 
2.1.8 Явления переноса в газах ......................................................................................................................................70 

2.2 Термодинамика ..........................................................................................................................................................................73 

2.2.1 Первое начало термодинамики .............................................................................................................................73 
2.2.2 Работа, совершаемая идеальным газом ...............................................................................................................74 
2.2.3 Теплоемкость ..........................................................................................................................................................77 
2.2.4 Адиабатный процесс ..............................................................................................................................................78 
2.2.5 Политропные процессы .........................................................................................................................................79 
2.2.6 Тепловые машины. Цикл Карно ...........................................................................................................................80 

2.2.7 Второе начало термодинамики .............................................................................................................................82 
2.2.8 Энтропия .................................................................................................................................................................82 
2.2.9 Хаос и его описание. Стрела времени. Статистический смысл второго начала термодинамики .................85 
2.2.10 Открытые диссипативные системы. Самоорганизация в открытых системах. Синергетика ......................85 
2.2.11 Химический потенциал .......................................................................................................................................86 
2.2.12 Реальный газ. Уравнение Ван-дер-Ваальса .......................................................................................................87 

2.3 Контрольные вопросы...............................................................................................................................................................88 
 
3 Электростатика...........................................................................................................................................................................90 
3.1 Школьные знания ......................................................................................................................................................................90 
3.2 Циркуляция вектора E



 .............................................................................................................................................................93 

3.3 Связь напряженности и потенциала электрического поля. Эквипотенциальные поверхности .......................................94 
3.4 Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме ....................................................................................................95 
3.5 Теорема Гаусса ..........................................................................................................................................................................96 
3.6 Поле диполя. Диполь в электрическом поле ........................................................................................................................100 

3.6.1 Диполь в однородном электрическом поле .......................................................................................................101 
3.6.2 Диполь в неоднородном электрическом поле ...................................................................................................101 

3.7 Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация ................................................................................................................102 
3.8 Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике ..............................104 
3.9 Электреты. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект .............................................................................................105 
3.10 Электростатика проводников. Металлы в электрическом поле .......................................................................................106 

3.10.1 Напряженность и потенциал электрического поля уединенного проводника ............................................106 
3.10.2 Проводник во внешнем электрическом поле ..................................................................................................107 
3.10.3 Электроемкость и энергия уединенного проводника ....................................................................................108 
3.10.4 Конденсаторы .....................................................................................................................................................110 
3.10.5 Энергия электростатического поля ..................................................................................................................111 

3.11 Контрольные вопросы ..........................................................................................................................................................112 
 
4 Постоянный электрический ток  ..........................................................................................................................................114 
4.1 Общие параметры. Уравнение непрерывности ....................................................................................................................114 
4.2 Закон Ома для однородного проводника ..............................................................................................................................115 
4.3 Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме ..............................................................................................................116 

4.4 Э.д.с. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Напряжение. Закон Ома для замкнутой цепи...............................117 
4.5 Мощность тока ........................................................................................................................................................................118 
4.6 Соединение резисторов ..........................................................................................................................................................118 
4.7 Правила Кирхгофа ...................................................................................................................................................................119 
4.8 Классическая теория электропроводности металлов ..........................................................................................................121 

4.8.1 Закон Ома ..............................................................................................................................................................121 
4.8.2 Закон Джоуля-Ленца ............................................................................................................................................122 
4.8.3 Закон Видемана-Франца ......................................................................................................................................122 
4.8.4 Достоинства и недостатки классической теории электропроводности металлов .........................................123 

4.9 Электрический ток в вакууме ................................................................................................................................................124 
4.10 Контрольные вопросы ..........................................................................................................................................................125 
 
5 Магнетизм ..................................................................................................................................................................................126 
5.1 Магнитное поле. Вектор магнитной индукции ....................................................................................................................126 
5.2 Силовые линии магнитного поля ..........................................................................................................................................127 
5.3 Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов .........................................................................................................128 
5.4 Контур с током в магнитном поле .........................................................................................................................................130 
5.5 Действие магнитного поля на движущийся заряд ...............................................................................................................131 

5.5.1 Сила Лоренца ........................................................................................................................................................131 
5.5.2 Ускорители заряженных частиц .........................................................................................................................132 
5.5.3 Эффект Холла .......................................................................................................................................................133 

5.6 Закон Био-Савара-Лапласа .....................................................................................................................................................134 

5.6.1 Введение ................................................................................................................................................................134 
5.6.2 Магнитное поле прямого тока ............................................................................................................................135 
5.6.3 Магнитное поле в центре кругового проводника с током ...............................................................................136 
5.6.4 Магнитное поле соленоида .................................................................................................................................137 

5.7 Закон полного тока для магнитного поля в вакууме. Вихревой характер магнитных полей .........................................138 
5.8 Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля ...................................................................142 
5.9 Индуктивность контура ..........................................................................................................................................................144 
5.10 Индуктивность бесконечно длинного соленоида (тороида) .............................................................................................145 

5.11 Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле ..................................................................146 
5.12 Электромагнитная индукция ................................................................................................................................................148 

5.12.1 Схема опытов Фарадея и правило Ленца ........................................................................................................148 
5.12.2 Закон Фарадея.....................................................................................................................................................149 

5.13 Вращение рамки в магнитном поле .....................................................................................................................................150 
5.14 Вихревые токи (токи Фуко) ..................................................................................................................................................151 
5.15 Самоиндукция ........................................................................................................................................................................152 
5.16 Явление взаимной индукции ................................................................................................................................................153 
5.17 Трансформатор (П Н. Яблочков, И.Ф. Усагин) ..................................................................................................................154 
5.18 Энергия магнитного поля .....................................................................................................................................................155 
5.19 Вещество в магнитном поле .................................................................................................................................................156 

5.19.1 Атомные токи .....................................................................................................................................................156 
5.19.2 Намагниченность. Вектор напряженности магнитного поля. Закон полного тока в веществе .................158 
5.19.3 Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Типы магнетиков...........................................160 
5.19.4 Диамагнетизм. Прецессия электронных орбит в атоме .................................................................................161 
5.19.5 Парамагнетики ...................................................................................................................................................162 
5.19.6 Ферромагнетики .................................................................................................................................................162 
5.19.7 Отличительные свойства магнетиков ..............................................................................................................163 
5.19.8 Магнитная левитация ........................................................................................................................................164 

5.20 Э.д.с. индукции в неподвижном контуре. Гипотеза Максвелла ......................................................................................165 
5.21 Бетатрон ..................................................................................................................................................................................165 
5.22 Контрольные вопросы ..........................................................................................................................................................166 
 
6 Уравнения Максвелла.............................................................................................................................................................168 
6.1 Уравнения Максвелла в интегральной форме ......................................................................................................................168 
6.2 Уравнения Максвелла в дифференциальной форме ............................................................................................................170 
6.3 Контрольные вопросы.............................................................................................................................................................172 
 
Литература .....................................................................................................................................................................................173 
 
 

Предисловие 

 

Настоящий конспект лекций по физике не обычен, он подготовлен в форме набора презентаций. По сути это «ске
лет» лекций, каждая страница которого соответствует кадру, выводящемуся на экран в аудитории и подробно обсуждаемому и дополняемому преподавателем за время занятия. В процессе лекции и при дальнейшей самостоятельной работе с 
литературой этот «скелет» обрастает подробностями, формирующими конкретный конспект отдельного студента. Такой 
развернутый («обросший» иллюстрациями и красивыми заставками) конспект, подготовленный к экзамену (часто – в 
электронной форме), по сути, представляет собой «лицо» конкретного студента. В качестве вспомогательной литературы можно использовать имеющиеся в библиотеке университета учебники, а также – более подробные конспекты лекций 
по всему курсу общей физики, изданные авторами в РУТ (МИИТ): 

1. Кокин С.М. Физика. Конспект лекций – часть I. – М.: МИИТ. – 2010. 
2. Кокин С.М., Никитенко В.А. Физика. Конспект лекций – часть II. – М.: МИИТ. – 2013. 
3. Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика. Конспект лекций – часть III. – М.: МИИТ. – 2017. 

С тем, чтобы учащиеся могли проконтролировать свои знания, авторы рекомендуют выполнять контрольные зада
ния и отвечать на вопросы, изложенные в конце каждой лекции. 

Конспект не является самодостаточным изданием, он не заменяет «живого» общения с преподавателем и восприя
тия лекций на слух, но помогает сэкономить время на лекциях при записи основных идей курса, при создании графиков, 
рисунков и т. д. Для успешного освоения дисциплины, конечно же, необходимо посещать сами занятия (сопровождающиеся реальными физическими экспериментами и мультимедийными демонстрациями), выполнять лабораторные работы, решать задачи. Если же говорить шире – будущим бакалаврам и специалистам полезно знакомиться с достижениями 
современной науки: по научно-популярной литературе, по журналам, интернет-публикациям, по материалам, имеющимся в библиотеке и фильмотеке Дома физики РУТ (МИИТ). 

Предполагается, что электронная форма данного конспекта лекций будет постоянно обновляться, но его основа со
хранится, и будет представлять собой удобную авторскую форму общения со студентами. 

Отдавая себе отчёт в том, что предлагаемое издание конспекта лекций не лишено недостатков, авторы с благодар
ностью примут все пожелания и замечания. Просим направлять их по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 
9, РУТ (МИИТ), кафедра «Физика» или fizikamiit@mail.ru. 

Авторы 

 
 

1 Кинематика

2 Динамика

3 Статика

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ 

 
1.1 Классическая механика (общие представления) 
 
Классическая механика – раздел физики, в котором изучаются закономерности ме
ханического движения тел и причины, влияющие на 
это движение. 
Механическое движение – это изменение со временем 
взаимного расположения тел или их частей. 
 
 

 
1.2 Простейшие виды движения 
 
1. Поступательное движение – это движение, когда любая прямая, выделенная в 
твердом теле, остается параллельной своему первоначальному положению. 
 
2. Вращательное движение – это движение, при котором все точки абсолютно 
твердого тела движутся по окружностям, центры которых находятся на одной прямой, называемой осью вращения, при этом окружности лежат в плоскостях, перпендикулярных этой оси. 

1.3 Кинематика 
 
1.3.1 Основные понятия кинематики 
 

1. Абсолютно твердое тело 
2. Материальная точка 
3. Система отсчета 
4. Скалярные уравнения движения: 

x  x(t),    y  y(t),    z  z(t) 

Векторное уравнение движения: 

r  
)
(t
r
,   
 
     (1.1) 

где r  xr   yr   zr   xi



  y j



  zk



, 

i


, j



, k



 – орты координатных осей X, Y, Z, 


r   
2
2
2
z
y
x


. 

5. Траектория – годограф вектора 
)
(t
r
 

6. Путь (∆S – рис. 1.1) 
7. Перемещение ( r

 – рис. 1.1) 

                         Рис. 1.1 

Y

N

Z

x

X
0

y

yr

)
(t
r

)
(
t
t
r




xr

z
zr

r






∆t

∆S

j


k


i


8. Скорость  (м/с) 
●    
t
r




 – средняя векторная скорость     (1.2) 

●                dt

r
d

 – мгновенная скорость  (1.3) 

  
x
   
y
   
z
   xi



  y j



  zk



; 

  dt

r
d

  
dt

k
z
jy
ix
d
)
(







  
i
dt
dx

  
j
dt
dy 

  
k
dt
dz 

 

 
i


, j



, k



 – орты координатных осей X, Y, Z, 

откуда: x = dt

dx ; y = dt

dy ; z = dt

dz . 

 

 

 
Модуль мгновенной скорости: 

  

   

t

r
lim
t









0
  

t
S
lim
t





0
  dt

dS  

                       Рис. 1.1 
 
 
 
  ●         

t
S

  – средняя путевая скорость     (1.4) 

9. Ускорение 








N

i
i
1




Y

N

Z
x

X
0

y

yr

)
(t
r

)
(
t
t
r




xr

z
zr

r






∆t

∆S

j


k


i


t
r
lim

t








0



Физическую величину, характеризующую быстроту изменения скорости по модулю 
и направлению, называют ускорением a (м/с2): 

 

a   

t



 – среднее векторное ускорение   
 
 
 (1.5) 

 

a  

t

lim
t








0
  dt

d

 – мгновенное ускорение  
 
 
 
(1.6) 

 

a  
x
a   
y
a   
za   axi



  ay j



  azk



 

 

ax  dt

d
x
 ;  ay  dt

d
y
 ;  az  dt

d
z
 ; 

 

a  
2
2
2
z
y
x
a
a
a


 

 

Рис. 1.2

При криволинейном движении вектор a направлен 
под углом к направлению вектора скорости. Его 
можно разложить на две составляющих:

a – тангенциальное (касательное) ускорение;

n
a – нормальное (центростремительное) ускорение, 
то есть

a 


dt
d
и    n
a 
n
R


2

(1.7)

a 
a 
n
a , a 
2
2
n
a
a 


 и n – единичные векторы в направлении соответственно вдоль и перпендикулярно вектору скорости.
R – радиус кривизны траектории в данной точке.

Нормальное ускорение n
a ха
рактеризует быстроту изменения скорости по направлению.
Тангенциальное ускорение 

a характеризует быстроту 

изменения скорости по модулю.
 

a

n
a

a




n

R

O

Баллистическое движение 
 
В случае свободного падения 
(в вакууме) все тела падают с 
одинаковым 
постоянным 

ускорением g ≈ 9,8 м/с2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

0



x


x






n
a



g

x


X

'
an




'
a


g

'y


'

Рис. 1.3

БАШНЯ

a

y


'