Курс физики

Ю. Н. Редкин 
С. Г. Ворончихин 
 
 
 
 
 
 
 
КУРС 
ФИЗИКИ 

 
 
Базовый курс лекций 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Москва 
Берлин 
2020 

 

УДК 530.1(075) 
ББК 22.3я7 
         Р33 

Рецензенты: 
Шатров А. В. — доктор физ.‐мат. наук, доцент, заведующий кафедрой 
«Физики и медицинской информатики» 
Кировского государственного медицинского университета; 
Данюшенков В. С. — доктор пед. наук, член‐корреспондент Российской академии 
образования (РАО), профессор кафедры «Физики и методики обучения физике» 
Вятского государственного университета 
 
 
 

 
Редкин, Ю. Н. 

Р33       Курс физики: базовый курс лекций / Ю. Н. Редкин, 
С. Г. Ворончихин — Москва ; Берлин : Директ‐Медиа, 2020. — 
146 с. 

ISBN 978‐5‐4499‐0814‐8 

Содержание книги представляет собой отредактированный кон‐
спект лекций по курсу общей физики, которые читались авторами на 
протяжении ряда лет в Вятском государственном гуманитарном универ‐
ситете и Вятском государственном университете. В учебном пособии из‐
ложены физические основы классической механики, молекулярной фи‐
зики и термодинамики, а также основы электродинамики, оптики и 
квантовой физики. Учебное пособие предназначено студентов бака‐
лавриата высших учебных заведений, а также может быть полезно для 
обучающихся в колледжах, техникумах и преподавателям в качестве 
опорных конспектов. 
Текст приводится в авторской редакции 
 
 
 
УДК 530.1(075) 
ББК 22.3я7 

 

 

ISBN 978‐5‐4499‐0814‐8 
© Редкин Ю. Н., Ворончихин С. Г., текст, 2020 
© Издательство «Директ‐Медиа», оформление, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие .............................................................................................................................. 5 

Курс физики ............................................................................................................................... 6 

§ 1. Введение. Предмет физики ........................................................................... 6 

Глава 1. Механика .................................................................................................................... 7 

§ 2. Введение ......................................................................................................... 7 

§ 3. Основные понятия кинематики ..................................................................... 7 

§ 4. Кинематический закон движения, скорость и ускорение ............................ 8 

§ 5. Движение точки по прямой и по окружности ............................................ 11 

§ 6. Динамика материальной точки. Законы Ньютона ..................................... 14 

§ 7. Системы материальных точек ..................................................................... 17 

§ 8. Работа силы. Энергия. Закон сохранения энергии ..................................... 20 

§ 9. Закон всемирного тяготения ....................................................................... 25 

§ 10. Движение и деформации твердого тела .................................................... 26 

§ 11. Жидкости и газы ........................................................................................ 36 

Глава 2. Термодинамика и молекулярная физика ........................................................ 41 

§ 1. Основные понятия. Первый закон термодинамики ................................... 41 

§ 2. Идеальный газ. Теплоемкость ..................................................................... 43 

§ 3. Работа идеального газа. Работа идеального газа в изопроцессах ............... 44 

§ 4. Круговые процессы (циклы). Тепловые и холодильные машины ............ 46 

§ 5. Кинетическая теория идеальных газов ....................................................... 49 

§ 6. Реальные газы .............................................................................................. 53 

§ 7. Жидкости ...................................................................................................... 55 

§ 8. Твердые тела ................................................................................................ 58 

Глава 3. Электричество ........................................................................................................ 62 

§ 1. Введение. Предмет электричества .............................................................. 62 

§ 2. Законы электростатики ................................................................................ 62 

§ 3. Электрическое поле ..................................................................................... 64 

§ 4.  Проводники и диэлектрики в электрическом поле ................................... 70 

§ 5. Электрическиеконденсаторы ...................................................................... 73 

§ 6. Постоянный электрический ток .................................................................. 75 

3 

§ 7. Магнитное поле электрических токов ........................................................ 80 

§ 8. Электромагнитная индукция ....................................................................... 85 

§ 9. Переменный ток ........................................................................................... 89 

§ 10. Электрические колебания в колебательном контуре. 
Колебательные системы ..................................................................................... 92 

§ 11. Электромагнитные волны.......................................................................... 95 

Глава 4. Оптика ....................................................................................................................... 98 

§ 1. Предмет оптики ............................................................................................ 98 

§ 2. Геометрическая оптика (ГО) ..................................................................... 101 
§ 3. Зеркала и линзы ......................................................................................... 103 

§ 4. Интерференция света ................................................................................. 108 

§ 5. Дифракция  света ....................................................................................... 110 

§ 6. Поляризация света ..................................................................................... 114 

§ 7. Дисперсия  и поглощение света веществом ............................................. 117 

§ 8. Оптические явления в атмосфере ............................................................. 121 

Глава 5. Физика атома и атомного ядра ........................................................................ 127 

§1. Проблема строения атома. Опыты Резерфорда. Теория Бора .................. 127 

§ 2. Квантовая теория атомов ........................................................................... 132 

§ 3. Строение атомных ядер ............................................................................. 134 

§ 4. Ядерная энергия. Атомная бомба ............................................................. 137 

§ 5. Ядерная энергетика. Термоядерный синтез ............................................. 141 

Литература ............................................................................................................................. 145 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Содержание книги представляет собой отредактированный конспект лекций по курсу 
общей физики, которые читались авторами на протяжении ряда лет в Вятском государственном гуманитарном университете и Вятском государственном университете. Этим объясняется сжатый, местами напоминающий телеграфный стиль изложения. Из-за экономии места в 
книгу не вошли описания лекционных демонстраций и большинство примеров и задач. 

Данный учебник предназначен студентам, изучающим курс физики в соответствии с 
требованиями, обусловленными спецификой Государственных образовательных стандартов. 
Настоящий курс предназначен для технических вузов с ограниченным числом часов по физике. В предлагаемом курсе принята традиционная последовательность изложения разделов: 
механика — термодинамика и молекулярная физика — электричество — оптика — физика 
атома, твёрдого тела и атомного ядра. В курсе общей физики, в основе которого лежит физический опыт, такая последовательность представляется более оправданной. 

В качестве предпочтительного способа изложения материала использовался исторический подход. То есть материал излагался, по возможности, в той же последовательности, в 
какой выполнялись основные физические опыты и делались их толкования. Такой способ 
изложения курса обладает внутренней логикой процесса познания природы и позволяет достаточно убедительно выстраивать цепочку событий процесса познания. 

Авторы выражают глубокую благодарность кандидату физико-математических наук, 
доценту В.Н Бакулину за беспристрастный анализ рукописи и ценные замечания, а также 
инженеру кафедры С.В. Мальковой за профессиональную помощь и поддержку при издании 
этой книги. 

В список литературы включены лишь те издания, которые обычно рекомендуются студентам при изучении курса. 

5 

КУРС ФИЗИКИ 

§ 1. Введение. Предмет физики 

1. Физика (от греч. physis — природа) — наука о природе, изучающая наиболее общие 
закономерности явлений природы, строение материи и законы её движения. Физика устанавливает количественные соотношения, описывающие с некоторой точностью то или иное 
явление природы. 

2. Физика — фундамент естествознания. Её связь с другими естественными науками 
состоит в том, что предмет их исследования — единый объективный мир. Понятия физики и 
открытые её методами законы природы лежат в основе естественных наук. Физика использует количественный аппарат математики. На основе физических законов развивается техника. 
Без измерительных приборов, созданных на физических принципах, не могут обойтись не 
только естественные науки, но и повседневная человеческая жизнь. В той части философии, 
которая изучает всеобщие законы развития природы, физика — как часть естествознания — 
является базой для построения философских концепций.  

3. По методам исследования физика делится на экспериментальную и теоретическую. 
Экспериментальная ставит эксперимент (измеряет), теоретическая — осмысливает результаты эксперимента и строит математическую модель явлений. 

В своей основе физика — экспериментальная наука. Она исследует лишь те объекты, 
где возможно измерение и воспроизведение результатов эксперимента независимо от человека. Измерение — это основной метод познания материального мира. Законы физики основаны на фактах, установленных опытным путём. Эти законы представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. 

Задача теоретической физики состоит в обобщении опытных законов, в толковании на 
основе этих законов конкретных явлений и в составлении максимально точных научных прогнозов. При изучении любого явления природы физический опыт и физическая теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны. 

4. Влияние достижений физики на жизнь людей огромно. Благодаря открытию законов функционирования паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, открытию законов электричества, строения атома, атомного ядра, твёрдого тела неизмеримо возросла энергетическая и информационная вооружённость человечества. Достижения физики, химии и 
биологии позволяют жить на Земле значительно большему числу людей и существенно повышают потенциал выживания человечества как биологического вида. Вместе с тем физика в 
настоящее время — наиболее капиталоёмкая из естественных наук. Поэтому реальные успехи в физических исследованиях возможны лишь в наиболее развитых промышленных странах. 

5. Учебная дисциплина «Курс физики» понимается как последовательное изложение 
основных физических законов и принципов, полученных в эксперименте, и основных теоретических моделей, построенных на этих принципах с использованием достаточно простого 
математического аппарата. Курс делится на 5 разделов: а. Механика, б. Термодинамика и 
молекулярная физика, в. Электричество, г. Оптика, д. Физика атома и атомного ядра. По 
причине специфики курса физики на данных специальностях на изучение раздела «Электричество» отводится несколько больше среднего объёма времени. 

В соответствии с учебным планом данный конспект лекций рассчитан на 36 лекционных часов плюс аудиторные семинарские занятия и самостоятельная работа. Бóльшая часть 
времени на семинарских занятиях расходуется на решение основных типов задач по важнейшим изучаемым на данных специальностях темам. 

6 

ГЛАВА 1. МЕХАНИКА 

§ 2. Введение 

1. Механика — это раздел физики, изучающий изменение с течением времени положения тел или их частей в пространстве, происходящее в результате взаимодействия 
между ними. Словом «механика» обозначают сейчас обычно так называемую классическую 
механику, в основе которой лежат законы Ньютона. 

2. Физические модели. При построении теории физика заменяет реальные объекты
их идеализированными моделями. Если физический объект имеет бесконечное количество 
свойств, то его модель есть абстрактный образ, наделённый одним или несколькими свойствами, наиболее важными у данного объекта в изучаемом явлении. 

Классическая механика имеет дело с тремя основными моделями: материальной 
точкой, твёрдым телом и сплошной средой. В зависимости от применяемой модели различают три крупных раздела механики: механика материальной точки, механика твердого тела, 
механика сплошной среды. В любой модели различают кинематику и динамику. 

§ 3. Основные понятия кинематики 

1. Кинематика (от греч. kinema — движение) — раздел механики, изучающий геометрию движения тел без учёта причин движения. Кинематика использует понятия: пространство, время, тело отсчёта, система координат, система отсчёта, кинематический 
закон движения, траектория, перемещение, скорость, ускорение. 

2. Пространство — это форма существования материи. В классической механике
применяют модель реального физического пространства — ньютоново пространство. Эта 
модель имеет следующие свойства: 

а.  Ньютоново пространство абсолютно. Оно представляет собой вместилище тел и 
не зависит от того, есть в нём тела или нет. Ньютоново пространство может быть пустым, 
оно не зависит ни от массы, ни от протяжённости тел, ни от скорости их движения. 
б.  Ньютоново пространство непрерывно. Это значит, что на любом отрезке линии 
между любыми сколь угодно близко расположенными точками всегда есть бесконечное 
множество других точек. 
в.  Ньютоново пространство подчиняется аксиомам геометрии Евклида. Например, сумма углов в треугольнике равна 180°, кратчайшее расстояние между двумя точками 
есть отрезок прямой линии, квадрат гипотенузы в прямоугольном треугольнике равен сумме 
квадратов катетов и т.д.  
3. Время, как и пространство, есть форма существования материи. Вместе они образуют пространственно-временной континуум, то есть существуют в единстве. Время — это 
фактор координации событий. Мы можем говорить, что событие А произошло раньше события В, а событие С произошло позже события В. Время существует, когда есть движение, то 
есть какие-либо изменения материи. Нет движения — нет времени. 

4. Тело отсчёта — это произвольно выбранное тело, относительно которого определяется положение в пространстве другого тела, движение которого исследуется. Движение 
тел всегда относительно. 

В повседневной жизни мы постоянно пользуемся телами отсчёта. Например, объясняя 
кому-либо, как пройти, допустим, в университет, мы говорим примерно следующее: выйдя из 
автобуса у филармонии, пройдите вдоль улицы на юг один квартал. Здесь филармония — тело 
отсчёта, улица задаёт направление отрезка от тела отсчёта к университету, квартал — длина 
отрезка. 

7 

В кинематике материальность движущейся точки не имеет значения. Мы будем говорить здесь «материальная точка» лишь с целью подчеркнуть, что это именно тá точка, движение которой изучается. Это позволит не смешивать её с точками пространства.  

Чем удачнее выбрано тело отсчёта, тем проще решение задачи. Во 2 веке н.э. Птолемей, пытаясь построить кинематическую систему мира, в качестве тела отсчёта не совсем 
удачно выбрал Землю (геоцентрическая система мира). В результате орбиты планет в этой 
системе получались громоздким суммированием множества окружностей разного радиуса. 
Николай Коперник в 16 веке при решении этой же задачи в качестве тела отсчёта выбрал 
Солнце (гелиоцентрическая система мира). Орбиты планет в этом случае оказались простыми окружностями. 

5. Системы координат (СК) — это геометрические образы, позволяющие определить
положение точки в пространстве с помощью отрезков и углов. Из множества вариантов СК в 
физике наиболее часто используют прямоугольную декартову систему координат. 

Декартова СК представляет собой систему трёх бесконечных прямых линий, пересекающихся в одной точке О под прямым углом (рис. 1.3.1). Эти линии называют осями СК. 
Их обозначают OX (ось абсцисс), OY (ось ординат), OZ (ось аппликат). Положительные 
направления осей обозначаются стрелками и задаются
единичными ортами i

, j

, k

. Это векторы, длина которых равна единице в любой системе единиц, а направления взаимно перпендикулярны. 

Отрезки, откладываемые по осям от центра СК в 
направлении стрелок, положительны, против — отрицательны. Положение точки M определяется здесь с помощью трёх чисел — координат x, y, z, имеющих размерность длины. 

В физике применяется правовращательная декартова СК. Если правый винт вращать по кратчайшему 
расстоянию от оси OX к оси OY, то ось OZ направлена в 
сторону поступательного движения винта. 

6. Система отсчёта — это совокупность тела отсчёта, связанной с ним системы координат и часов. Если 
СК — геометрический образ, то система отсчёта, как правило, физическая реальность. 

7. Траектория точки — это мысленный след от движущейся материальной точки в
пространстве. Иногда при движении тел в сплошных средах в результате возникающих неоднородностей в среде траектория может быть физически наблюдаемой. Тропинки и дороги — это осреднённые траектории движения множества людей, кильватерный пенный след 
на воде от быстроходных судов, инверсионный след от самолётов и т. д.  

Траектория — непрерывная линия. Форма траектории зависит от выбора тела отсчёта. 
Например, траектория капли, падающей в равномерно и прямолинейно движущемся вагоне, 
относительно стенок вагона — прямая вертикальная линия. Относительно же поверхности 
земли траектория капли — парабола.  В зависимости от формы траектории в избранной системе отсчёта различают прямолинейное движение точки (траектория — прямая линия), 
движение точки по окружности (траектория — окружность), криволинейное движение (траектория — любая кривая линия) и т.д. 

§ 4. Кинематический закон движения, скорость и ускорение 

1. Кинематический закон движения — это одно или несколько уравнений, определяющие положение материальной точки в пространстве в любой момент времени. При 

 z 

           z 
 M(x,y,z) 

 k

jy 

    
 О
y 
 ix 

Рис. 1.3.1 
x 

координатном способе изучения движения — это три уравнения, определяющие значения 
координат x, y, z в зависимости от времени t. 

2.  Перемещение материальной точки — это отрезок прямой линии, соединяющей 
два положения точки в произвольные моменты времени t1 и t2. Индексы у времени t ставятся 
в направлении течения времени. Это значит, что момент времени t2 наступил позже момента 
t1, момент t3 — позже момента t2 и т. д. Интервал времени Δt = t2 – t1 при определении перемещения точки может быть каким угодно. Длина Δl перемещения вычисляется по формуле: 

2
2
2
z
y
x
l
∆
+
∆
+
∆
=
∆
, 
(1.4.1) 

где Δx, Δy, Δz — проекции перемещения на оси СК. 

Пример 4.1. Кинематический закон движения материальной точки M имеет вид: 

2
2 ,
3 ,
8
2
x
t
y
t
z
t
t
=
=
=
−
. 
(1.4.2) 

Найти уравнение траектории, построить график, вычислить перемещения точки M в 
интервалы времени от  t1 = 0,5 с  до t2 = 2 с  и  от t2 = 2 с до t3 = 3 с. 

а.  Траектория. Если задавать значения времени t с некоторым шагом, например, через 0,5 с, t = 0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 с и т. д., а затем для этих моментов вычислить координаты 
x, y, z, то по этим точкам можно построить график 
траектории (рис. 1.4.1). 

Чтобы получить координатное уравнение 
траектории в переменных x, y, z, из кинематического 
закона (1.4.2) нужно исключить время t. Например, 
можно сложить 1-е и 2-е уравнения, выразить из 
суммы время t и подставить его в 3-е уравнение. 

5 ,
;
5
x
y
x
y
t
t
+
+
=
⇒
=
(
)
(
)

25
2
5
8
2
y
x
y
x
z
+
−
+
=
 

или 
0
5,
12
20
20
2
2
2
=
+
−
−
+
+
z
y
x
xy
y
x
. 

б.  Перемещение вычислим для двух случаев: 
перемещение Δl1 для интервала времени от t1 до t2 и 
перемещение Δl2  для интервала времени от t2 до t3 
(см. рис. 1.4.1). Для этого нужно вычислить проекции перемещений. Так для интервала времени от t1  до 
t2 Δx1 = x(t2) – x(t1) = 4 –1 = 3 м, Δy1 = y(t2) – y(t1) = 4,5 м, 
Δz1 = z(t2) – z(t1) = (8∙2 – 2∙22) – (8∙0,5 – 2∙0,52)= 8 – 3,5 = 4,5 м. Все проекции положительны. 
Это значит, что материальная точка двигалась в этом интервале времени в направлении возрастания координат. Модуль перемещения Δl1 (длина отрезка) вычисляется по формуле 
(1.4.1): 

0,7
5,4
5,4
3
2
2
2
2
1
2
1
2
1
1
=
+
+
=
∆
+
∆
+
∆
=
∆
z
y
x
l
 м. 

Вычислим проекции перемещения Δl2 в промежуток времени от t2 до t3. 
Δx2 = x(t3) – x(t2) = 2∙3 – 2∙2 = 2,   Δy2 = 3,   Δz2 = (8∙3 – 2∙32) — (8∙2 – 2∙22) = 6 – 8 = –2. Проекция перемещения на ось OZ отрицательна, Δz2 = –2. Это значит, что материальная точка M на 
этом участке переместилась в сторону уменьшения координаты z. Модуль перемещения Δl2 
точки M: 
1,4
2
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
=
+
+
=
∆
+
∆
+
∆
=
∆
z
y
x
l
 м. 

3.  Скорость движения точки. Понятие скорости движения тел известно с древности. Различают среднюю и мгновенную скорость.  

z, м

 
                                     
                   ∆z1           2 
                                        t2=2 c 
                             ∆l1      
                   1                ∆l2    3 
                     t1=0,5 c             t3=3 c 
 
                            ∆y1 
                                                      y, м 
            ∆x1  
 5      
  x, м                   

5 

Рис. 1.4.1

9 

а.  Средняя скорость v  движения точки есть отношение перемещения Δl точки к 
интервалу времени Δt, за который это перемещение произошло.  

2
2
2
2
2
2
1






∆
∆
+






∆
∆
+






∆
∆
=
∆
+
∆
+
∆
∆
=
∆
∆
=
t
z
t
y
t
x
z
y
x
t
t
l
v
. 
(1.4.3) 

Отношения ΔxΔt = 
x
v ,  ΔyΔt = 
y
v ,  ΔzΔt = 
z
v  называются проекциями средней 

скорости на оси координат. Отсюда                
(
)
(
)
(
)

2
2
2
z
y
x
v
v
v
v
+
+
=
. 
(1.4.4) 

Пример 4.2. Вычислить среднюю скорость 
1v  и 
2
v  на перемещениях Δl1 и Δl2 по 
условиям примера 4.1.  

Так как 
1 
2
1 
t
 t
t
 2 – 0,5 1 ,5 с,
∆
=
−
=
=
 то проекции средней скорости на оси координат 
на первом перемещении Δl1 есть: 
1x
1
1
x /
t
3/1,
м/с
2
,
5
= ∆
∆
=
=
v
 
1y
1
1
y /
м/ ,
t
3
с
= ∆
∆
=
v
 

1z
1
1
z /
t
4,5 /1,5
3  м/с.
= ∆
∆
=
=
v
 Средняя 
скорость 
на 
первом 
участке 

7,4
3
3
2
2
2
2
1
=
+
+
=
v
м/с. 

Таким же способом находим среднюю скорость 
2
v  на втором перемещении Δl2. Так 
как Δt2 = 3 — 2 = 1 с, то 
2
1
/
2
/
2
2
2
=
=
∆
∆
=
t
x
x
v
 м/с,   
3
2 =
y
v
 м/с,   
2
2
−
=
z
v
 м/с. 

Отсюда 
1,4
2
3
2
2
2
2
2
=
+
+
=
v
м/с. 

б.  Мгновенная скорость. В примере 4.2 получается, что на соседних перемещениях 
средняя скорость точки разная. На перемещении Δl1  
7,4
1 =
v
 м/с, на перемещении Δl2 

1,4
2 =
v
 м/с. Допустить, что в момент времени t2 скорость тела меняется скачком с 4,7 до 
4,1 м/с, нельзя из-за инерции тел. Скорость движения реальных тел может изменяться лишь 
постепенно. В общем случае это означает, что скорость материальной точки в разных точках 
траектории разная. Средняя скорость v  на перемещении характеризует движение материальной точки приближённо. 

Задачу о переходе от средней скорости v  на перемещении к мгновенной скорости v в 
точке траектории решил Исаак Ньютон в конце 17 в. Он показал, что этот переход можно 
сделать, постепенно уменьшая интервал времени Δt, в результате перемещение Δl также 
уменьшается. В механическом движении тел предел отношения перемещения Δl к интервалу 
времени Δt при Δt→0 всегда существует. Этот предел и даёт численное значение мгновенной 

скорости v движения материальной точки по траектории.           
t
l

t
t
∆
∆
=
=
→
∆
→
∆
0
0
lim
lim v
v
. 
(1.4.5) 

Чтобы кинематический закон движения материальной точки имел реальный смысл, 
координаты точки x(t),  y(t),  z(t) должны быть непрерывными функциями времени t. Процедура вычисления пределов от аналитических функций при стремлении приращения аргумента 
к нулю называется в современной терминологии вычислением производной от функции по 
аргументу или дифференцированием. Операция, обратная дифференцированию, называется 

интегрированием. Отсюда:             
x
dt
dx

x

≡
=
v
,     
y
dt
dy

y

≡
=
v
,       
z
dt
dz

z

≡
=
v
. 
(1.4.6) 

Запись производных в виде  dxdt,  dydt,  dzdt  предложил Лейбниц, а в виде точек 
над обозначениями функции x , y , z  — Ньютон. В современной физике точкой обозначается только производная по времени t.  

Пример 4.3. Вычислить проекции мгновенной скорости на координатные оси, модуль 
её в общем виде и в моменты времени t = 0,5, 2,0, 3 c по условию примера 4.1. 

10