Физика для иностранных учащихся, обучающихся на подготовительном отделении

Москва 2022

М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Центр профессиональной навигации и приема

Е.А. Гостева 
А.Р. Илясов

ФИЗИКА ДЛЯ ИНОСТРАННЫХ 
УЧАЩИХСЯ, ОБУЧАЮЩИХСЯ 
НА ПОДГОТОВИТЕЛЬНОМ 
ОТДЕЛЕНИИ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4306

УДК 531 
 
Г72

Р е ц е н з е н т ы : 
д-р техн. наук, профессор НИТУ «МИСиС» Е.Б. Черепецкая;  
канд. техн. наук, доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной 
техники инженерной академии РУДН С.В. Агасиева

Гостева, Екатерина Александровна.
Г72  
Физика для иностранных учащихся, обучающихся на 
подготовительном отделении : учеб. пособие / Е.А. Гостева, А.Р. Илясов. – Москва : Издательский Дом НИТУ 
«МИСиС», 2022. – 211 с.
ISBN 978-5-907560-07-9

В учебном пособии изложены физические основы механики, 
гидравлики, молекулярной физики и термодинамики, механических и электромагнитных колебаний и волн, электричества и магнетизма, геометрической оптики и построения в линзах, квантовой 
физики, а также физики атомного ядра и элементарных частиц. 
Приведены примеры решения задач, задания для самостоятельной 
работы, а также тестовые задания для закрепления теоретического 
материала.
Предназначено для иностранных студентов подготовительного 
отделения.

УДК 531

 Гостева Е.А, 
Илясов А.Р., 2022
ISBN 978-5-907560-07-9
 НИТУ «МИСиС», 2022

СОДЕРЖАНИЕ

1. Механика .................................................................. 8
1.1. Кинематика ......................................................... 8
1.1.1. Путь и перемещение ........................................ 8
1.1.2. Средняя скорость ............................................ 9
1.1.3. Равноускоренное прямолинейное движение ........ 9
1.1.4. Свободное падение по вертикали...................... 11
1.1.5. Горизонтальный бросок.................................. 13
1.1.6. Бросок под углом к горизонту (с земли на землю) .. 15
1.1.7. Сложение скоростей ...................................... 16
1.1.8. Примеры решения задач ................................ 19
1.1.9. Задачи для самостоятельного решения ............. 26
1.1.10. Тест-задания ............................................... 26
1.1.11. Основные формулы раздела ........................... 30
1.2. Основы динамики ............................................... 31
1.2.1. Виды сил ...................................................... 32
1.2.2. Законы Ньютона ........................................... 33
1.2.3. Сила упругости ............................................. 35
1.2.4. Сила трения.................................................. 37
1.2.5. Закон всемирного тяготения. Спутники............ 38
1.2.6. Примеры решения задач ................................ 40
1.2.7. Задачи для самостоятельного решения ............. 42
1.2.8. Тест-задания ................................................ 44
1.2.9. Основные формулы раздела ............................ 46
1.3. Статика. Законы сохранения энергии .................... 46
1.3.1. Момент силы. Правило моментов .................... 48
1.3.2. Рычаги и блоки ............................................. 49
1.3.3. Импульс ...................................................... 50
1.3.4. Закон сохранения импульса ............................ 51
1.3.5. Работа, мощность, энергия .............................. 53
1.3.6. Примеры решения задач ................................ 57
1.3.7. Задачи для самостоятельного решения ............. 58
1.3.8. Тест-задания ................................................ 59
1.3.9. Основные формулы раздела ............................ 61
1.4. Гидростатика ..................................................... 62
1.4.1. Давление. Закон Паскаля. Гидростатическое 
давление ................................................................ 62

1.4.2. Сообщающиеся сосуды ................................... 64
1.4.3. Гидравлический пресс ................................... 64
1.4.4. Закон Архимеда. Вес тела в жидкости .............. 66
1.4.5. Плавание тел ................................................ 67
1.4.6. Примеры решения задач ................................ 67
1.4.7. Задачи для самостоятельного решения ............. 69
1.4.8. Тест-задания ................................................ 70
1.4.9. Основные формулы раздела ............................ 71
1.5. Механические колебания и волны ......................... 71
1.5.1. Механические колебания ............................... 71
1.5.2. Математический маятник .............................. 73
1.5.3. Пружинный маятник ..................................... 73
1.5.4. Механические волны ..................................... 75
1.5.5. Примеры решения задач ................................ 77
1.5.6. Задачи для самостоятельного решения ............. 79
1.5.7. Тест-задания ................................................ 80
1.5.8. Основные формулы раздела ............................ 82
2. Молекулярная физика и термодинамика ...................... 83
2.1. Молекулярная физика ......................................... 83
2.1.1. Основные положения молекулярно- 
кинетической теории............................................... 83
2.1.2. Основное уравнение МКТ идеального газа ......... 86
2.1.3. Измерение температуры ................................. 88
2.1.4. Уравнение состояния идеального газа, 
или уравнение Клапейрона – Менделеева ................... 88
2.1.5. Газовые законы ............................................. 89
2.1.6. Графическое изображение изопроцессов ........... 90
2.1.7. Тепловое расширение тел ............................... 92
2.1.8. Примеры решения задач ................................ 93
2.1.9. Задачи для самостоятельного решения ............. 95
2.1.10. Основные формулы раздела ........................... 95
2.2. Термодинамика .................................................. 96
2.2.1. Теплоемкость вещества .................................. 97
2.2.2. Фазовые превращения ................................... 98
2.2.3. Уравнение теплового баланса .......................... 99
2.2.4. Работа идеального газа ..................................100
2.2.5. Внутренняя энергия .....................................101
2.2.6. Первый закон термодинамики .......................101

2.2.7. Первое начало (первый закон) термодинамики 
и изопроцессы .......................................................103
2.2.8. Циклы. Тепловые машины ............................104
2.2.9. Второе начало (второй закон) термодинамики ..105
2.2.10. Свойства паров. Влажность ..........................106
2.2.11. Поверхностное натяжение ...........................109
2.2.12. Примеры решения задач ..............................111
2.2.13. Задачи для самостоятельного решения ..........112
2.2.14. Тест-задания ..............................................113
2.2.15. Основные формулы раздела ..........................115
3. Электродинамика ....................................................117
3.1. Электростатика .................................................117
3.1.1. Электрический заряд и его свойства ................117
3.1.2. Закон Кулона ...............................................120
3.1.3. Электрическое поле и его напряженность ........121
3.1.4. Принцип суперпозиции .................................123
3.1.5. Потенциальная энергия взаимодействия  
зарядов ................................................................123
3.1.6. Потенциал. Разность потенциалов.  
Напряжение .........................................................124
3.1.7. Принцип суперпозиции потенциала ................126
3.1.8. Электрическая емкость. Плоский конденсатор .127
3.1.9. Энергия электрического поля .........................129
3.1.10. Соединения конденсаторов...........................129
3.1.11. Проводящая сфера ......................................130
3.1.12. Примеры решения задач ..............................132
3.1.13. Задачи для самостоятельного решения ..........133
3.1.14. Основные формулы раздела ..........................134
3.2. Электрический ток .............................................135
3.2.1. Электрический ток. Сила тока.  
Сопротивление ......................................................135
3.2.2. Закон Ома. Последовательное и параллельное 
соединение проводников .........................................137
3.2.3. ЭДС. Закон Ома для полной цепи ....................139
3.2.4. Работа и мощность тока.  
Закон Джоуля – Ленца ...........................................142
3.2.5. Электрический контур ..................................142
3.2.6. Переменный ток. Трансформатор ...................144

3.2.7. Конденсатор в цепи переменного тока .............145
3.2.8. Катушка индуктивности в цепи переменного  
тока .....................................................................146
3.2.9. Трансформаторы ..........................................146
3.2.10. Электромагнитные волны ............................147
3.2.11. Примеры решения задач ..............................149
3.2.12. Задачи для самостоятельного решения ..........152
3.2.13. Основные формулы раздела ..........................153
3.3. Магнитное поле. Электромагнитная индукция .......154
3.3.1. Сила Ампера ................................................154
3.3.2. Момент сил, действующих на рамку с током ....156
3.3.3. Сила Лоренца ..............................................156
3.3.4. Теория о магнитном поле ...............................157
3.3.5. Вектор магнитной индукции ..........................158
3.3.6. Магнитный поток. Электромагнитная  
индукция .............................................................160
3.3.7. Индуктивность. Самоиндукция. Энергия 
магнитного поля ....................................................162
3.3.8. Правило Ленца ............................................163
3.3.9. Примеры решения задач ...............................164
3.3.10. Задачи для самостоятельного решения ..........167
3.3.11. Тест-задания ..............................................168
3.3.12. Основные формулы раздела ..........................171
4. Оптика и квантовая физика .......................................173
4.1. Световые волны .................................................173
4.2. Отражение и преломление света ...........................175
4.3. Интерференция .................................................177
4.4. Дифракция. Дифракционная решетка ..................178
4.5. Линзы. Построения в линзах ...............................179
4.6. Квантовые свойства света ....................................183
4.7. Внешний фотоэффект .........................................184
4.8. Задачи и основные формулы ................................186
4.8.1. Примеры решения задач ...............................186
4.8.2. Задачи для самостоятельного решения ............187
4.8.3. Тест-задания ...............................................189
4.8.4. Основные формулы раздела ...........................190
5. Atom и атомное ядро ................................................192
5.1. Планетарная модель атома. Опыты резерфорда ......192

5.2. Постулаты Бора. Излучение и поглощение света 
атомом ....................................................................193
5.3. Состав ядра атома...............................................195
5.4. Радиоактивность. Альфа-, бета-  
и гамма-излучения ....................................................197
5.5. Закон радиоактивного распада .............................199
5.6. Ядерные реакции ...............................................200
5.7. Задания и основные формулы ..............................202
5.7.1. Примеры решения задач ...............................202
5.7.2. Задачи для самостоятельного решения ............204
5.7.3. Тест-задания ...............................................205
5.7.4. Основные формулы раздела ...........................207
Приложение. Справочная информация ...........................208
Буквы греческого алфавита ........................................208
Основные единицы измерения величин в системе СИ .....208
Дольные и кратные приставки в физике .......................209
Основные физические постоянные ...............................209

1. МЕХАНИКА

1.1. Кинематика

1.1.1. Путь и перемещение

Кинематика – раздел механики, в котором движение тел 
изучают без выяснения причин этого движения.
Механическое движение – изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.
Всякое тело имеет определенные размеры. Однако во многих задачах это не имеет значения. Если размеры тела малы по 
сравнению с расстояниями до других тел, то данное тело можно считать материальной точкой. Так, при движении автомобиля на большие расстояния можно пренебречь его длиной, 
так как длина автомобиля мала по сравнению с расстояниями, 
которое он проходит.
Характеристики движения (скорость, траектория и т.д.) зависят от того, откуда мы на него смотрим. Поэтому для описания движения необходима система отсчета.
Система отсчета (СО) – тело отсчета, привязанная к нему 
система координат, линейка (прибор, измеряющий расстояние), 
часы и синхронизатор времени.
Траектория движения тела – перемещение тела с течением времени из одной точки в другую по некоторой линии.
Перемещение тела – направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его конечным положением. Перемещение есть векторная величина. Перемещение может 
в процессе движения увеличиваться, уменьшаться и становиться равным нулю.
Путь равен длине траектории, пройденной телом за некоторое время. Путь – скалярная величина. Путь не может уменьшаться. Путь только возрастает либо остается постоянным (если 
тело не движется). При движении тела по криволинейной траектории модуль (длина) вектора перемещения всегда меньше 
пройденного пути.
При равномерном (с постоянной скоростью) движении 
путь L может быть найден по формуле

,
L
v t
= ⋅

где v – скорость тела;  
t – время, в течение которого оно двигалось.

1.1.2. Средняя скорость

Скорость – векторная величина, характеризующая быстроту перемещения тела в пространстве. Скорость бывает средней и 
мгновенной. Мгновенная скорость описывает движение в данный конкретный момент времени в данной конкретной точке пространства, а средняя скорость характеризует движение в целом.
Средняя скорость пути – это отношение всего пути ко всему времени движения:

 
полн
1
2
3
ср
полн
1
2
3
,
L
L
L
L
v
t
t
t
t
+
+
…
=
=
+
+
…

где Lполн – весь путь, который прошло тело;  
tполн – все время движения.

Средняя скорость перемещения – это отношение всего перемещения ко всему времени движения:

 

полн
ср.перемещения
полн
.
S
v
t
=



Важно учитывать следующее: средняя скорость не равна 
среднему арифметическому скоростей тела на каждом этапе 
движения. Среднее арифметическое получается только в некоторых частных случаях.

1.1.3. Равноускоренное прямолинейное 
движение

Ускорение – векторная физическая величина, определяющая быстроту изменения скорости тела. Ускорением тела называют отношение изменения скорости к промежутку времени, в течение которого происходило изменение скорости:

0
,
v
v
v
a
t
t
−
D
=
=
D

где v0 – начальная скорость тела;  
v – конечная скорость тела (т.е. спустя промежуток времени t).

Далее, если иное не указано в условии задачи, мы считаем, 
что если тело движется с ускорением, то это ускорение остается 
постоянным. Такое движение тела называется равноускоренным (или равнопеременным). При равноускоренном движении 
скорость тела изменяется на одинаковую величину за любые 
равные промежутки времени.
Равноускоренное движение бывает ускоренным, когда тело 
увеличивает скорость движения, и замедленным, когда скорость 
уменьшается. Для простоты решения задач удобно для замедленного движения брать ускорение со знаком «–».
Из предыдущей формулы следует другая формула, описывающая изменение скорости со временем при равноускоренном движении:

 
0
.
v
v
at
=
+

Перемещение (но не путь) при равноускоренном движении 
рассчитывается по формулам

 

2

0
;
2
at
S
v t
=
+

 

2
2
0
;
2
v
v
S
a
−
=

 
0
ср
.
2
v
v
S
v t
t
+
=
=

В последней формуле использована одна особенность равноускоренного движения. При равноускоренном движении сред