Физика : учебник и сборник задач

Серия «Учебные издания для вузов» 
 
 
ʑ.ʏ.ʜˋˍˈ˓ˑ˅
 
 
 
ʣʗʖʗʙʏ
 
ʢ˚ˈ˄ːˋˍˋ˔˄ˑ˓ːˋˍˊ˃ˇ˃˚
 
3-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
Рекомендовано  
Федеральным институтом развития образования  
в качестве учебника для использования в учебном процессе  
образовательных организаций, реализующих программы  
высшего образования по направлениям подготовки и специальностям, 
входящим в укрупненную группу 
«Инженерное дело, технологии и технические науки»  
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 
2024 
1 

УДК 53 
ББК 22.3 
Н62 
Автор: 
В. А. Никеров – профессор, доктор физико-математических наук, главный 
научный сотрудник Национального исследовательского центра «Курчатовский 
институт». 
Рецензенты: 
В. Р. Никитенко – профессор, доктор физико-математических наук; профессор Отделения нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике,  
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»; 
А. П. Тютнев – доктор физико-математических наук, профессор-иссле- 
дователь Департамента электронной инженерии, Московский институт электроники и математики им. А. Н. Тихонова. 
 
Никеров, Виктор Алексеевич. 
Н62  
Физика : учебник и сборник задач / В. А. Никеров. — 3-е изд.,  
перераб. и доп. — Москва : Издательско-торговая корпорация 
«Дашков и К°», 2024. — 582 с. 
 
ISBN 978-5-394-05569-0. 
 
В учебнике последовательно изложены современные представления о 
механике и молекулярной физике, электродинамике и волновой оптике, 
квантовой физике. Курс является компактным, но при этом дает цельное 
представление об основных законах и понятиях современной физики, их 
взаимосвязи и происхождении. Рассмотрены примеры решения типичных 
задач и предложен набор задач для самостоятельного решения. Представлена научная аксиоматика современной физики. Акцент в изложении сделан на наиболее перспективные, бурно развивающиеся и финансируемые 
приложения, и это делает учебник востребованным и современным. В первую очередь речь идет о приложениях физики к современным технологиям, 
электронике, медицине и биологии. Достоинством учебника является его 
аналитичность, показывающая связь различных разделов физики. 
Для студентов образовательных организаций, реализующих программы высшего образования по направлениям подготовки и специальностям, 
входящим в укрупненную группу «Инженерное дело, технологии и технические науки». Может быть также использован для самообразования преподавателями, аспирантами, инженерами и физиками. 
 
© Никеров В. А., 2018 
 
© ООО «ИТК «Дашков и К°», 2018 
 
© Никеров В. А., 2024, с изменениями 
 
© ООО «ИТК «Дашков и К°», 2024,  
ISBN 978-5-394-05569-0 
    с изменениями 
2 

ʠʝʓʔʟʕʏʜʗʔ
ПРЕДИСЛОВИЕ 
..................................................................................... 
14 
ВВЕДЕНИЕ. Научная аксиоматика физики и мироздания ........... 
19 
Часть I. МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА 
1. Кинематика материальной точки ............................................. 38 
1.1. Механика и ее структура.  Материальная точка 
и твердое тело ...................................................................... 38 
1.2. Перемещение и пройденный путь 
...................................... 40 
1.3. Скорость, ускорение ............................................................ 42 
1.4. Тангенциальное, нормальное и полное ускорения ........... 44 
1.5. Контрольные вопросы и задачи 
.......................................... 46 
2. Динамика материальной точки 
................................................. 53 
2.1. Первый закон Ньютона ....................................................... 54 
2.2. Второй закон Ньютона. Масса. Сила.  
Неинерциальные системы отсчета ..................................... 54 
2.3. Третий закон Ньютона ........................................................ 57 
2.4. Закон сохранения импульса. Центр масс (инерции).  
Движение центра инерции .................................................. 58 
2.5. Контрольные вопросы и задачи 
.......................................... 60 
3. Работа и энергия ........................................................................... 63 
3.1. Работа силы. Мощность ...................................................... 64 
3.2. Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия.  
Консервативные и диссипативные силы ........................... 66 
3.3. Связь силы и потенциальной энергии. 
Условие равновесия 
............................................................. 67 
3.4. Закон сохранения энергии 
................................................... 70 
3.5. Упругое и неупругое соударение тел 
................................. 72 
3.6. Контрольные вопросы и задачи 
.......................................... 77 
4. Кинематика и динамика вращательного движения  
твердого тела ..................................................................................... 82 
4.1. Кинематика твердого тела. Угловое перемещение,  
угловая скорость, угловое ускорение ................................ 83 
4.2. Работа при вращательном движении. Момент силы ........ 85 
4.3. Кинетическая энергия при вращательном движении.  
Момент инерции .................................................................. 86 
4.4. Теорема Штейнера 
............................................................... 91 
4.5. Уравнение динамики вращательного движения ............... 92 
3 

4.6. Закон сохранения момента импульса ................................ 93 
4.7. Аналогия между поступательным  и вращательным  
движением ............................................................................ 94 
4.8. Контрольные вопросы и задачи 
.......................................... 95 
5. Гармонические и затухающие  колебания 
............................... 99 
5.1. Гармонические колебания. Свободные колебания 
системы 
............................................................................... 100 
5.2. Дифференциальное уравнение гармонических  
колебаний и его решение .................................................. 101 
5.3. Затухающие колебания. Коэффициент затухания,  
декремент,  логарифмический декремент, время 
релаксации 
.......................................................................... 104 
5.4. Контрольные вопросы и задачи 
........................................ 106 
6. Сложение колебаний. Вынужденные колебания 
.................. 114 
6.1. Представления колебаний 
................................................. 114 
6.2. Сложение колебаний одинаковой частоты   
и одинакового направления .............................................. 115 
6.3. Сложение колебаний близких частот. Биения ................ 116 
6.4. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. 
Фигуры Лиссажу 
................................................................ 117 
6.5. Дифференциальное уравнение вынужденных  
колебаний и его решение. Период и амплитуда  
вынужденных колебаний .................................................. 119 
6.6. Резонанс. Семейство резонансных кривых ..................... 120 
6.7. Контрольные вопросы и задачи 
........................................ 122 
7. Волны 
............................................................................................ 123 
7.1. Упругие волны.  Продольные и поперечные волны ....... 124 
7.2. Уравнение плоской волны. Фазовая скорость 
................. 125 
7.3. Волновое уравнение упругой волны  и его решение ...... 126 
7.4. Плотность энергии упругой волны 
................................... 129 
7.5. Перенос энергии бегущей волной. Вектор Умова .......... 130 
7.6. Принцип суперпозиции при сложении волн.   
Стоячая волна. Колебания струны ................................... 131 
7.7. Контрольные вопросы и задачи ........................................ 133 
8. Релятивистская механика 
......................................................... 134 
8.1. Преобразования Галилея и постулаты релятивистской  
механики 
............................................................................. 135 
8.2. Интервал, его инвариантность.  Четырехмерный мир  
Минковского и 4-векторы 
................................................. 138 
8.3. Преобразования Лоренца .................................................. 140 
4 

8.4. Cледствия релятивистской механики:  замедление 
 времени и сокращение длины 
.......................................... 143 
8.5. Импульс тела и основное уравнение  релятивистской  
динамики ............................................................................ 144 
8.6. Кинетическая и полная энергии в релятивистской  
механике. Энергия покоя. Релятивистский инвариант .. 146 
8.7. Контрольные вопросы и задачи 
........................................ 148 
9. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ).   
Принципы классической статистической физики 
........................ 150 
9.1. Физические основы молекулярно-кинетической теории. 
Уравнение состояния идеального газа 
............................. 151 
9.2. Вывод основного уравнения МКТ ................................... 152 
9.3. Элементы классической статистической физики.  
Функции распределения и их роль 
................................... 154 
9.4. Контрольные вопросы и задачи 
........................................ 157 
10. Распределение Максвелла и характерные  скорости  
молекул. Барометрическая формула.   
Распределение Больцмана ................................................................. 157 
10.1. Распределение Максвелла  по составляющим  
скорости .............................................................................. 158 
10.2. Распределение Максвелла по модулю скорости.  
Нахождение наиболее вероятной, средней,  
среднеквадратичной скоростей ........................................ 161 
10.3. Барометрическая формула .............................................. 163 
10.4. Распределение Больцмана 
............................................... 165 
10.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 167 
11. Элементы физической кинетики.  Явления переноса  
в газах 
..................................................................................................... 168 
11.1. Средняя длина пробега  и частота столкновений  
молекул ............................................................................... 168 
11.2. Общий вид уравнения переноса ..................................... 172 
11.3. Диффузия и коэффициент диффузии 
............................. 174 
11.4. Теплопроводность и коэффициент  
теплопроводности 
.............................................................. 175 
11.5. Вязкость и коэффициент вязкости ................................. 176 
11.6. Броуновское движение и диффузия ............................... 178 
11.7. Поглощение и рассеяние частиц.  Закон Бугера – 
Ламберта.  Транспортировка фотонов и ускоренных  
частиц через слои вещества в прямолинейном  
приближении ...................................................................... 181 
5 

11.8. Транспортировка фотонов и ускоренных частиц через 
слои вещества в диффузионном приближении 
............... 187 
11.9. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 192 
12. Первое начало термодинамики 
............................................. 193 
12.1. Первое начало термодинамики  и закон сохранения  
энергии 
................................................................................ 193 
12.2. Работа и теплота.  Работа, совершаемая газом  
в различных изопроцессах ................................................ 194 
12.3. Внутренняя энергия идеального газа.  Степени  
свободы молекул. Закон о равномерном распределении  
энергии по степеням свободы 
........................................... 196 
12.4. Теплоемкость идеального газа при постоянном  
объеме и давлении. Уравнение Майера 
........................... 198 
12.5. Адиабатный процесс. Вывод уравнения адиабаты 
....... 201 
12.6. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 203 
13. Второе начало термодинамики.  Энтропия ........................ 205 
13.1. Формулировки второго начала термодинамики ........... 205 
13.2. КПД кругового процесса 
................................................. 206 
13.3. Цикл Карно. КПД идеальной тепловой машины.  
Теоремы Карно 
................................................................... 208 
13.4. Энтропия. Изменение энтропии в процессах  
идеального газа. Энтропия и термодинамическая  
вероятность. Формула Больцмана 
.................................... 210 
13.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 213 
14. Реальные газы.  Агрегатные состояния и фазовые  
переходы ................................................................................................ 214 
14.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса ........................................... 215 
14.2. Агрегатные состояния и фазовые переходы.  
Изотермы Ван-дер-Ваальса 
............................................... 217 
14.3. Внутренняя энергия реального газа ............................... 219 
14.4. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 220 
Часть II. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И ВОЛНОВАЯ ОПТИКА 
15. Закон Кулона и электрическое поле .................................... 221 
15.1. Закон Кулона..................................................................... 222 
15.2. Электрическое поле и электрическое смещение ........... 223 
15.3. Принцип суперпозиции электрических полей 
............... 227 
15.4. Электрический диполь. Поле диполя ............................. 228 
15.5. Контрольные вопросы и задачи ...................................... 231 
6 

16. Теорема Гаусса для электрического поля 
........................... 235 
16.1. Поток вектора напряженности электрического поля  
и электрического смещения 
.............................................. 236 
16.2. Теорема Гаусса в интегральной форме 
.......................... 237 
16.3. Поле равномерно заряженной бесконечной  
плоскости и двух плоскостей 
............................................ 239 
16.4. Поле равномерно заряженной бесконечной нити   
и цилиндрической поверхности ....................................... 241 
16.5. Поле равномерно заряженной сферы 
............................. 242 
16.6. Поле равномерно заряженного шара ............................. 243 
16.7. Теорема Гаусса в дифференциальной форме ................ 244 
16.8. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 245 
17. Потенциал электростатического поля 
................................. 247 
17.1. Работа сил электростатического поля.  
Консервативность электростатических сил .................... 248 
17.2. Теорема о циркуляции вектора  напряженности  
поля ..................................................................................... 249 
17.3. Определение потенциала  электростатического  
поля ..................................................................................... 251 
17.4. Связь между потенциалом и напряженностью ............. 252 
17.5. Вычисление разности потенциалов  в поле  
заряженных плоскостей, сферы  и цилиндрической  
поверхности 
........................................................................ 254 
17.6. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 255 
18. Проводники в электростатическом поле.   
Конденсаторы и энергия электростатического поля 
.................... 257 
18.1. Проводники в электростатическом поле.   
Поле внутри и вне заряженного проводника .................. 258 
18.2. Электрическая емкость проводника 
............................... 260 
18.3. Конденсаторы 
................................................................... 261 
18.4. Энергия заряженного проводника и конденсатора.  
Плотность энергии электростатического поля ............... 263 
18.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 266 
19. Диэлектрики в электрическом поле 
..................................... 268 
19.1. Поляризация диэлектриков.  Полярные и неполярные  
диэлектрики.  Свободные и связанные заряды ............... 269 
19.2. Вектор поляризации, диэлектрическая  
восприимчивость и диэлектрическая проницаемость 
.... 271 
19.3. Теорема Гаусса для поля в диэлектрике.   
Явления на границе раздела двух диэлектриков.  
Преломление линий смещения и напряженности .......... 272 
7 

19.4. Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты. 
Явления на разломах ......................................................... 275 
19.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 277 
20. Постоянный ток. Законы Ома и Джоуля — Ленца ........... 278 
20.1. Постоянный ток. Виды тока. Сила тока.   
Плотность тока 
................................................................... 279 
20.2. Закон Ома в дифференциальной форме 
......................... 280 
20.3. Закон Ома в интегральной форме.  Сопротивление ..... 282 
20.4. Сторонние силы. Электродвижущая сила.  
Обобщенный закон Ома и закон Ома для замкнутой  
цепи ..................................................................................... 283 
20.5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца  
в дифференциальной и интегральной формах ................ 284 
20.6. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 285 
21. Газовый разряд и плазма ....................................................... 287 
21.1. Проводимость газов. Носители тока.  Ионизация  
и рекомбинация. Несамостоятельный   
и самостоятельный газовые разряды ............................... 287 
21.2. Вольтамперная характеристика газового разряда.  
Ударная ионизация ............................................................ 289 
21.3. Типы самостоятельных газовых разрядов 
..................... 291 
21.4. Понятие о плазме ............................................................. 294 
21.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 296 
22. Магнитное поле тока 
............................................................... 297 
22.1. Магнитное поле тока и его проявления.  Магнитная  
индукция и напряженность магнитного поля.  
Магнитный момент 
............................................................ 298 
22.2. Закон Био — Савара — Лапласа и его применение   
к расчету магнитных полей 
............................................... 302 
22.3. Теорема о циркуляции вектора напряженности  
магнитного поля. Расчет поля соленоида и тороида ...... 305 
22.4. Поток вектора магнитной индукции.  
Теорема Гаусса для магнитного поля в интегральной   
и дифференциальной форме ............................................. 308 
22.5. Действие магнитного поля на токи.  
Закон Ампера ..................................................................... 309 
22.6. Действие магнитного поля на движущиеся заряды.  
Сила Лоренца. Движение заряженной частицы   
в однородном и неоднородном магнитных полях .......... 310 
8 

22.7. Магнитная сила  как релятивистская поправка 
к силе Кулона ..................................................................... 312 
22.8. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 320 
23. Магнитное поле в веществе ................................................... 322 
23.1. Магнитный момент электронов и атомов.  
Намагниченность ............................................................... 322 
23.2. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики ......... 325 
23.3. Условия на границе раздела двух магнетиков .............. 329 
23.4. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 331 
24. Электромагнитная индукция ................................................ 332 
24.1. Основной закон электромагнитной индукции.  
Правило Ленца. Вихревое электрическое поле.  
Генераторы переменного тока 
.......................................... 333 
24.2. Самоиндукция. Индуктивность соленоида ................... 335 
24.3. Взаимоиндукция .............................................................. 337 
24.4. Нестационарные процессы в цепи,  содержащей  
индуктивность 
.................................................................... 338 
24.5. Энергия магнитного поля.  Плотность энергии  
магнитного поля 
................................................................. 340 
24.6. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 341 
25. Уравнения Максвелла ............................................................ 343 
25.1. Электромагнитное поле. Ток смещения.   
Уравнения Максвелла в интегральной форме ................ 344 
25.2. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме 
..... 347 
25.3. Закон сохранения заряда. Теорема Пойнтинга.  
Энергия электромагнитного поля.   
Вектор Умова — Пойнтинга 
............................................. 350 
25.4. Волновое уравнение. Решения волнового  
уравнения. Интенсивность электромагнитной волны 
.... 352 
25.5. Принцип работы радиоприемника.  Шкала  
электромагнитных волн .................................................... 355 
25.6. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 357 
26. Волновая оптика. Геометрическая оптика.   
Интерференция света 
.......................................................................... 358 
26.1. Волновая и геометрическая оптика.   
Четыре закона геометрической оптики ........................... 359 
26.2. Интерференция света. Когерентность ........................... 362 
26.3. Принцип Гюйгенса — Френеля.   
Расчет интерференционной картины двух источников ...... 
365 
26.4. Интерференция в тонких пленках .................................. 368 
26.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 372 
9 

27. Дифракция света 
...................................................................... 374 
27.1. Метод зон Френеля.  Дифракция на круглом  
отверстии и круглом диске ............................................... 374 
27.2. Дифракция в параллельных лучах от одной щели 
........ 378 
27.3. Дифракционная решетка.  Условия главных  
максимумов.  Дисперсия и разрешающая способность  
решетки 
............................................................................... 380 
27.4. Дифракция от объемных решеток .................................. 385 
27.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 386 
28. Поляризация света .................................................................. 387 
28.1. Естественный и поляризованный свет. Поляризация  
света при отражении и преломлении. Закон Брюстера 
....... 
388 
28.2. Поляризационные приборы. Закон Малюса 
.................. 390 
28.3. Двойное лучепреломление.  Поляризация света 
 в одноосных кристаллах.  Построения волновых  
поверхностей.  Призма Николя ........................................ 391 
28.4. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 394 
29. Дисперсия света 
........................................................................ 395 
29.1. Нормальная и аномальная дисперсия ............................ 396 
29.2. Электронная теория дисперсии ...................................... 397 
29.3. Анализ результатов теории дисперсии .......................... 399 
29.4. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 400 
Часть III. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА 
30. Квантовая природа света. Давление света.   
Фотоэффект и эффект Комптона 
................................................ 402 
30.1. Квантовая природа света. Фотоны ................................. 402 
30.2. Давление света ................................................................. 404 
30.3. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна ............................. 406 
30.4. Эффект Комптона ............................................................ 408 
30.5. Контрольные вопросы и задачи 
...................................... 410 
31. Квантовая теория излучения 
................................................. 413 
31.1. Равновесное тепловое излучение.  
Лучеиспускательная и лучепоглощательная  
способность. Черное и серое тело .................................... 413 
31.2. Закон Кирхгофа 
................................................................ 416 
31.3. Закон Стефана — Больцмана 
.......................................... 417 
31.4. Закон смещения Вина 
...................................................... 418 
31.5. Формула Рэлея — Джинса .............................................. 419 
31.6. Квантовая гипотеза и закон Планка.  Связь закона  
Планка и законов излучения  абсолютно черного тела ...... 
420 
10