Физика

ФИЗИКА

Москва

ИНФРА-М

202В.И. ДЕМИДЧЕНКО
И.В. ДЕМИДЧЕНКО

6-е издание, переработанное и дополненное

Учебник

Рекомендовано

федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением 

высшего образования «Санкт-Петербургский государственный 

университет гражданской авиации» в качестве учебника 

для студентов высших учебных заведений и курсантов 

высших военно-учебных заведений, обучающихся по направлению 
25.03.03 «Аэронавигация» и специальностям высшего образования

 «Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения», 

«Летная эксплуатация воздушных судов» и «Аэронавигационное 

обслуживание и использование воздушного пространства»

Регистрационный номер рецензии 994 от 30 августа 2010 года

УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
       Д30

Демидченко В.И.

Д30 
  Физика : учебник / В.И. Демидченко, И.В. Демидченко. — 6-е изд., 
перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 581 с. + Доп. материалы [
Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). 

ISBN 978-5-16-010079-1 (print)
ISBN 978-5-16-101800-2 (online)

Учебник рецензирован Министерством образования и науки РФ в федеральном 
государственном образовательном учреждении высшего образования 
«Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации» 
и состоит из семи стандартных разделов, в которых изложены физические 
основы механики, молекулярной физики и термодинамики, кинематики и динамики 
жидкостей и газов, электричества и магнетизма, колебаний и волн, 
оптики и фотометрии, твердого тела, квантовой физики, физики атомного ядра, 
элементарных частиц. Прослеживается тенденция к популярному изложению 
некоторых физических проблем с большим объемом фактического материала 
и сохранением необходимого математического аппарата и методов анализа.

Учебник написан в соответствии с требованиями Федерального государственного 
образовательного стандарта высшего образования последнего 
поколения.

Книга может быть использована не только студентами и курсантами, обучающимися 
по направлению подготовки 25.03.03 «Аэронавигация», но и студен 
тами технических высших учебных заведений, а также преподавателями, 
аспирантами и научными сотрудниками.

УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73 

Р е ц е н з е н т ы: 

А.Ю. Жиров, доктор физико-математических наук, профессор Военно-

воздушной академии им. Ю.А. Гагарина;

И.М. Дунаев, доктор физико-математических наук, профессор Кубанского 

государственного технологического университета;

И.П. Рябчун, кандидат технических наук, профессор Краснодарского 

высшего военного авиационного училища летчиков (военного института);

В.П. Ноздрачева, кандидат физико-математических наук, профессор Ей-

ского высшего военного авиационного училища

ISBN 978-5-16-010079-1 (print)
ISBN 978-5-16-101800-2 (online)

© Демидченко В.И., 
   Демидченко И.В., 2016

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 

в электронно-библиотечной системе Znanium

Предисловие

Физика — это протодисциплина среди множества ныне суще-
ствующих. Именно она сформулировала и объединила в строгую 
систему доступные знания о природе. И эти знания используются 
фундаментальными и прикладными науками (астрономией, химией, 
биологией и многими другими), которые, опираясь на физические 
представления и положения, определяют всю сумму материальных 
достижений человечества.
Природа — объективна, познание — субъективно. Знание о при-
роде тем ценнее, чем оно объективней, чем ближе к истине. Поэтому 
нужно помнить, что субъективность мышления и познания может 
предлагать, а затем и отстаивать научные положения и взгляды, не 
совпадающие с объективной реальностью. Но, несмотря на это, со-
временные знания являются основой технического прогресса. Буду-
щий специалист уже в аудитории ориентирован на встречу с совер-
шенно новыми процессами, новыми методами, новой техникой. Офи-
цер-выпускник, получивший техническое образование, должен быть 
способен в своей деятельности к поиску и принятию оригинальных 
решений. Кстати, это конечная цель любого образования — на учить 
находить правильные решения. Здесь имеется в виду следую щее. По-
единок в воздухе связан с большим риском, требует максимального 
нервно-эмоционального напряжения не только от летчика, но и от 
офицера, управляющего полетом. Исход любых действий зависит 
прежде всего от физических, нравственно-психологических качеств 
и от интеллектуального потенциала летчика и офицера боевого управ-
ления, способных предупреждать развитие событий и «переиграть» 
противника. Чтобы достичь этой цели, нужен переход к сис темно-
логическому изложению всех дисциплин с преимущественно дедук-
тивным развитием их содержания. Конечно, учитывая специфику 
физики, невозможно избежать эклектического построения курса. 
И тем не менее авторы сделали попытку перейти от общих идей и за-
кономерностей к рассмотрению вариантов их реализации и надеются 
на то, что путешествие в мир физики для читателя на этот раз окажется 
менее трудным и не только полезным, но и увлекательным. При всем 
этом авторы в меру личных и объективных возможностей стремились 
сохранить традиционные черты курса и изложили все вопросы офи-
циальной программы.
Учебник подготовлен в соответствии с Федеральным государ-
ственным образовательным стандартом высшего образования по-
следнего поколения.

В учебнике полностью отсутствует стремление авторов научить 

студентов приемам и методам решения физических задач.

Какими бы значительными ни были усилия авторов в направле-

нии общедоступного изложения физических знаний, не менее зна-
чительным должно быть усердие обучаемых в их восприятии. Иными 
словами, учебник адресован желающим овладеть минимумом ин-
формации, необходимой для освоения последующих за физикой 
учебных дисциплин.

Уместно высказать здесь пожелание коллегам, работающим 

в сфере создания физической литературы, о необходимости согла-
совывать изложение учебных вопросов с методическими достиже-
ниями отсоединившихся от физики учебных дисциплин. Авторам 
также следует проявлять одинаковую заинтересованность в изложе-
нии разделов физики. Трудно объяснить особую любовь авторов 
к механике и электромагнетизму и полную нелюбовь, например, 
к термодинамике.

Авторы выражают свою признательность за разъяснение возник-

ших вопросов и практические советы рецензентам: профессору 
А.Ю. Жирову, профессору И.М. Дунаеву, профессору И.П. Ряб-
чуну — и благодарят доцента кафедры общеобразовательных дисци-
плин ушедшего в прошлое Ейского высшего военного авиационного 
училища Е.В. Сычеву за полезные рекомендации при разработке 
учебника и операторов компьютерной верстки Татьяну Александ-
ровну Балала и Татьяну Владимировну Борисенко за подготовку ди-
зайна макета учебника.

Создание небольшого по объему, простого по изложению и од-

новременно достаточно строгого с научной точки зрения современ-
ного учебника представляет трудную задачу. Поэтому критические 
замечания неизбежны и будут приняты с благодарностью по адресу: 
350020, Краснодар, ул. Красная, 155, кв. 34, В.И. Демидченко или по 
электронной почте vansorin@mail.ru.

В.И. Демидченко

введение

Обобщение экспериментальных факторов составляет понятие 
физического закона. Он предполагает устойчивое повторение объек-
тивных закономерностей. Физические законы интерпретируются 
в виде математических соотношений между физическими величи-
нами. Физическая величина есть характеристика свойства тела, про-
цесса, явления. Количественную связь между исследуемыми физи-
ческими величинами получают в результате измерения каждой из 
них. Измерение — это нахождение значения физической величины 
опытным путем с помощью специальных технических средств (при-
боров). Измерение представляет собой важную задачу физики и тех-
ники. Измерения классифицируют на прямые, когда физическую 
величину измеряют каким-либо прибором, и косвенные, когда физи-
ческие величины находят расчетом на основании прямых измерений 
величин, связанных с измеряемой величиной соответствующим 
уравнением.
Процесс измерения неизбежно связан с погрешностью. Различают 
четыре типа погрешностей (ошибок) измерения:
 
• грубые — возникают вследствие невнимательности экспериментатора 
и при плохих условиях наблюдения;
 
• систематические — возникают из-за неисправности измерительного 
прибора, неточности метода измерения при моделировании 
реальных тел, явлений, процессов;
 
• инструментальные — возникают из-за несовершенства измерительной 
техники. Величина погрешности определяется классом 
точности прибора;
 
• случайные — возникают под действием внешних факторов 
(магнитных полей, вибраций, от изменения температуры и др.), 
не учтенных методом измерения.
Измерение физической величины проводится, как правило, неоднократно. 
В результате, измерив n значений х1, х2, …, хn физической 
величины, определяют ее среднее арифметическое значение 
<х> = (х1 + х2+ … + хi + … + хn) / n, которое рассматривается как 
истинное значение физической величины х и используется как окончательный 
итог серии измерений.
Разность между показанием прибора хi (результатом отдельного 
измерения) и истинным (среднеарифметическим) значением вели-
чины <х> называют абсолютной погрешностью отдельного измерения 
величины х:

 
|хi  – <х>| = |Dхi|.

Среднеарифметическое значение абсолютных погрешностей серии 
измерений называют среднеарифметической абсолютной погрешностью:

 

<
>
∆
∆
x
x
n
i
i

n
=

=∑
/ .

1

Окончательный результат измерения записывают в виде
 
х = <х> ± <Dх>.
Для оценки точности определения измеряемой величины исполь-
зуется понятие относительной погрешности. Относительная погреш-
ность d представляет собой отношение среднеарифметической абсо-
лютной погрешности <Dх> к среднеарифметическому значению 
измеряемой величины <х> и выражается в долях единицы
 
d = <Dх> /<х>
или процентах d = (<Dх> / <х>) · 100%. Относительную погрешность 
допускается также рассматривать через отношение соответствующих 
характеристик, отнесенных к отдельному показанию измерительного 
прибора: d = Dхi / хi.
Для осуществления измерения необходимо располагать не только 
нужными измерительными приборами, но и установить соответству-
ющие единицы измерения, объединенные в некоторую систему.  
В 1960 г. во всех странах введена международная система (СИ) еди-
ниц измерения. В физике применяются семь основных физических 
величин: длина, время, масса, температура, сила тока, количество 
вещества, сила света. Остальные физические величины называют 
производными. Соответственно для семи основных физических вели-
чин в СИ используются семь основных единиц измерения:
единица длины 
метр 
м
единица времени 
секунда 
с
единица массы 
килограмм 
кг
единица температуры 
кельвин 
К
единица силы электрического тока 
ампер 
А
единица количества вещества 
моль 
моль
единица силы света 
кандела 
кд

В качестве дополнительных единиц к основным для измерения 
углов используются:
единица плоского угла 
радиан 
рад
единица телесного угла 
стерадиан 
ср

Следует вспомнить, что в СИ количество вещества характеризу-
ется числом его структурных элементов. Оно выражается в молях. То 
есть моль любого вещества содержит одинаковое число структурных 
элементов, называемое постоянной Авогадро NА.

рАЗдел I 
ФиЗиЧесКие основЫ МеХАниКи

ГлАвА 1 
КинеМАтиКА МАтериАльной тоЧКи

1.1. 
МеХАниКА. МеХАниЧесКое движение

Механика — это раздел физики, в котором рассматриваются 
закономерности механического движения тел. При этом возможны 
взаимодействия между телами.
Механика в зависимости от изучаемого предмета подразделяется 
на механику материальной точки, механику твердого тела и механику 
сплошной среды.
Материальная точка есть модель макроскопического тела, раз-
меры которого значительно меньше расстояний от него до других тел. 
Материальная точка представляет собой своеобразную точечную 
массу по аналогии с точечным зарядом, точечным источником 
света. Модель материальной точки исключает необходимость учета 
размеров и формы тела, что, естественно, упрощает задачу. Так, 
Землю как компоненту Солнечной системы можно считать мате-
риальной точкой, поскольку расстояние до Солнца равно примерно 
12 тыс. земных диаметров. В системе же Земля—спутник матери-
альной точкой будет спутник. При движении Земли вокруг своей 
оси она не может быть принята за материальную точку, так как ха-
рактер вращательного движения Земли существенно зависит от ее 
формы и размеров. Таким образом, одно и то же реальное тело мо-
жет рассматриваться либо как материальная точка (в первом слу-
чае), либо как тело конечных размеров (во втором и третьем слу-
чаях). При этом, однако, существенное значение имеет постановка 
задачи. В задаче, например, о выпущенном с летательного аппарата 
заряде последний может рассматриваться отвлеченно от его разме-
ров и формы в виде материальной точки. При изучении же аэроди-
намических качеств заряда знание его размеров и геометрической 
формы необходимо.
В механике твердого тела в качестве модели реального тела исполь-
зуется абсолютно твердое тело, размеры которого не меняются при 
силовом воздействии. Это понятие применяется в тех случаях, когда 
деформациями тела можно пренебречь. Конечно же это — упро-
щение истинной картины процесса, в котором всякое тело под дей-

ствием приложенной силы изменяет свои размеры, или форму, или 
то и другое.
Механика сплошной среды рассматривает газ, жидкость, твердое 
тело как непрерывную сплошную среду. Допускается деформация 
среды, строение тела не имеет значения.
Механика подразделяется также на классическую, релятивистскую 
и квантовую.
Основой классической механики являются законы И. Ньютона, по-
этому ее называют еще ньютоновской. Классическая механика спра-
ведлива для макротел (макроскопических тел), скорость которых не-
соизмеримо мала по сравнению со скоростью света. Макротело по массе 
превышает массу отдельного атома (микротела) настолько, что ста-
новится зримым.
Релятивистская механика охватывает микро- и макрообъекты, 
скорость движения которых близка к скорости света. Предметом ре-
лятивистской механики является движение, протекающее в ускори-
телях элементарных частиц и в бесконечных просторах Вселенной.
Квантовая механика используется при исследовании строения 
и свойств атомного ядра, атома, твердых тел и жидкостей в целом.
По содержанию изучаемого материала механика делится также на 
кинематику, динамику и статику.
Кинематика описывает механическое движение тел независимо от 
причин, его вызывающих и изменяющих.
Динамика изучает законы механического движения тел при взаимо-
действии их между собой и под действием приложенных к ним сил. Ос-
новные законы динамики устанавливают связь между физическими 
величинами и кинематическими характеристиками движения. След-
ствием основных законов динамики являются фундаментальные 
законы сохранения.
Статика исследует условия равновесия тел, находящихся под воз-
действием других тел и силовых полей. Законы статики есть частные 
случаи законов динамики.
В классической механике движением тела называют изменение 
его положения в пространстве относительно другого. Естественно, 
что изменение положения происходит и во времени. Пространство 
и время, как известно, есть формы существования материи. И. Нью-
тон считал пространство и время абсолютными, т.е. независящими 
друг от друга и от наличия или отсутствия в пространстве физических 
тел. Теория относительности коренным образом изменила представ-
ления о пространстве и времени. Пространство и время, согласно 
этой теории, неразрывно связаны друг с другом и образуют единое 
четырехмерное пространство — время.
Механическое движение является простейшим движением материи 
в сравнении со скрытыми формами движения микрочастиц вещества. 

К скрытым формам движения относят молекулярно-тепловое, внутри-
молекулярное, внутриатомное, внутриядерное и электрическое движе-
ния материи. Здесь уместно вспомнить П. Гольбаха, который еще 
в XVIII в. писал, что «идея природы заключает в себе… идею движе-
ния» и что «движение — это способ существования, вытекающий 
необходимым образом из сущности материи, что материя движется 
благодаря собственной своей энергии, что ее движение происходит 
от присущих ей сил».
Различают три вида механического движения тел: поступатель-
ное, вращательное и колебательное. Поскольку движение материаль-
ной точки можно рассматривать только относительно другой мате-
риальной точки, то при изучении перемещения материальной точки 
необходимо, прежде всего, иметь систему отсчета, т.е. систему коор-
динат, связанную с телом, относительно которого рассматривается 
движение материальной точки или тела. В качестве системы коор-
динат наиболее часто используется декартова система с координа-
тами x, y, z.
Характеристиками движения являются: траектория, путь, пере-
мещение, скорость и ускорение. Линия, которую описывает движущая-
 ся материальная точка, называется траекторией. При поступатель-
ном движении все точки тела описывают одинаковые траектории, 
поэтому ограничиваются рассмотрением движения одной точки. По 
форме траектории различают прямолинейное движение, криволиней-
ное, движение по окружности и т.д. Если при движении абсолютно 
твердого тела прямая, проходящая через какую-либо точку, остается 
неподвижной, то такое движение называют вращением тела относи-
тельно этой прямой — оси вращения. Определение колебательного 
движения будет дано в гл. 13.
Расстояние, пройденное материальной точкой за время t, называют 
путем s. Помимо этого понятия, в механике широко используется 
также понятие перемещения материальной точки. Перемещение — это 
направленный отрезок, соединяющий начальную и конечную точки на 
траектории. Летающий лыжник движется по траектории, а длина 
полета оценивается перемещением от конца трамплина до точки 
приземления лыжника на снежный грунт. Кстати, мировой рекорд 
летающих лыжников — 209 м (1998 г.). При прямолинейном движе-
нии в одну сторону путь и перемещение численно равны. При кри-
волинейном движении путь численно больше перемещения, а при 
движении материальной точки по замкнутой траектории перемещение 
равно нулю. Так, итоговое перемещение Лунохода-1 массой 756 кг на 
Луне оказалось равным нулю, поскольку он вернулся в исходную 
точку лунной поверхности. Луноход-1 проработал в Море Дождей 
более десяти месяцев, преодолел путь в 10 540 м, передал на Землю 
20 тыс. фотоснимков, исследовал физико-химические свойства лун-

ного грунта в 500 точках. Путь является скалярной физической ве-
личиной, а перемещение — вектором. Векторными величинами яв-
ляются скорость и ускорение.

1.2. 
сКорость МАтериАльной тоЧКи

В механике под скоростью понимают векторную физическую 

величину , которая характеризует не только, как быстро происходит 
перемещение материальной точки по траектории, но и направление 
движения в каждый момент времени.
Если материальная точка при движении по некоторой траектории 
проходит за любые равные промежутки времени t одинаковые рас-
стояния s, то движение материальной точки называют равномерным, 
а скорость материальной точки определяется отношением пути, про-
ходимым за промежуток времени t, к этому промежутку времени:

 
υ = s / t, м/с 
(1.1)

При неравномерном движении формула (1.1) дает среднее значе-
ние скорости за промежуток времени t:

 
<υ> = s / t, м/с 
(1.2)

Для определения скорости υ в конкретный момент времени t бе-
рут за t малый интервал времени Dt и измеряют пройденный за этот 
промежуток времени путь Ds. Отношение Ds / Dt дает среднюю ско-
рость материальной точки за время Dt. Уменьшая Dt и, следовательно, 
Ds, получим значения отношения Ds / Dt, приближающиеся к истин-
ной, или, что то же самое, мгновенной скорости в момент времени 
t. Аналитически это выглядит так:

 
 м/с, 
(1.3)

где limes в переводе с латинского — предел, граница.

Изложенное можно проиллюстрировать с помощью понятия ра-
диуса-вектора следующим образом (рис. 1.1). Пусть в момент t1 мате-
риальная точка находится в состоянии 1, определяемом радиусом-век-
тором r t( ).
1
 За интервал времени Dt материальная точка переходит 
в состояние 2, определяемое радиусом-вектором r t( ).
2  Перемещение 
материальной точки сопровождается приращением радиуса-вектора 
на величину ∆r
r t
r t
=
−
( )
( ).
2
1
 При Dt → 0, ∆r → 0  длина дуги Ds 
приближается по значению к длине хорды 1-2, равной ∆r. Предель-
ным положением хорды является касательная к траектории в точке 1.
Таким образом, вектором мгновенной скорости материальной 
точки в данном случае называют производную радиуса-вектора ма-