Молекулярная физика
Допущено Министерством образования и науки
Российской Федерации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся в области техники и технологий
С АМ АР А
2 00 6
1
УДК 53 (075)
Рецензенты: кафедра общей физики и методики обучения физике
Самарского государственного педагогического университета (зав.
кафедрой, д-р пед. наук, проф. <...> В классической физике пространству и времени приписывается
абсолютный характер: линейные размеры и промежутки времени
сохраняются неизменными при переходе от одной системы отсчета
к другой. <...> В классической физике пространству и времени приписывается
абсолютный характер: линейные размеры и промежутки времени
сохраняются неизменными при переходе от одной системы отсчета
к другой. <...> Запишем это в виде выражения:
S=1м
> v = 1 м/с.
t= 1с
Читая его справа налево и заменив слово равно словом это,
можно сформулировать словесное определение единицы скорости:
один метр в секунду - это скорость равномерного прямолинейного
движения, в котором материальная точка за 1с проходит путь в 1м. <...> Классическая механика подразделяется на ньютоновскую, в основе которой лежат законы Ньютона1 , и релятивистскую механику. <...> В классической механике Ньютона изучается движение макроскопических тел, имеющих скорости гораздо меньшие, чем скорость
света в вакууме. <...> Запишем это в виде выражения:
S=1м
> v = 1 м/с.
t= 1с
Читая его справа налево и заменив слово равно словом это,
можно сформулировать словесное определение единицы скорости:
один метр в секунду - это скорость равномерного прямолинейного
движения, в котором материальная точка за 1с проходит путь в 1м. <...> Классическая механика подразделяется на ньютоновскую, в основе которой лежат законы Ньютона1 , и релятивистскую механику. <...> В классической механике Ньютона изучается движение макроскопических тел, имеющих скорости гораздо меньшие, чем скорость
света в вакууме. <...> Одно и то
же тело в одних случаях может рассматриваться <...>
Курс_физики._Кн._1._Механика._Молекулярная_физика.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»
Н.М. Рогачев
КУРС ФИЗИКИ
КНИГА 1
Механика.
Молекулярная физика
Допущено Министерством образования и науки
Российской Федерации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся в области техники и технологий
С А М А Р А 2 0 0 6
1
Стр.1
УДК 53 (075)
Рецензенты: кафедра общей физики и методики обучения физике
Самарского государственного педагогического университета (зав.
кафедрой, д-р пед. наук, проф. В.А. Бетев);
канд. физ.-мат. наук, проф., зав.кафедрой общей и теоретической
физики Самарского государственного университета А.А. Бирюков
Н.М. Рогачев. Курс физики. Книга 1. Механика. Молекулярная физика:
Учеб. пособие. - Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2006. 192 с.
ISBN 5-7883-0405-9
Кратко изложены основные вопросы физики. Особое внимание уделено раскрытию
сущности физических явлений и закономерностей, разъяснению главных
идей и принципов современной физики.
Пособие состоит из двух книг. Книга 1 посвящается механике и молекулярной
физике. Предназначается для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по техническим (550000) и технологическим направлениям (650000).
Табл. 2. Ил. 62.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Самарского государственного аэрокосмического университета.
ISBN 5-7883-0405-9
© Н.М. Рогачев, 2006.
© Самарский государственный
аэрокосмический университет,
2006.
2
Стр.2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие написано в соответствии с разделами рабочих
программ курса физики федерального компонента ГСО подготовки
дипломированных специалистов по техническим (550000) и технологическим
направлениям (650000).
Пособие состоит из двух книг. Первая книга посвящена основам
классической механики и молекулярной физики. В ней излагаются
также элементы специальной теории относительности. Содержанием
второй книги является физика электрических и магнитных явлений,
оптика и атомная физика.
Изложение курса физики как единой науки опиралось на фундаментальные
законы и обобщало множество опытных данных. Большое
внимание уделялось точности определений, указанию пределов
применимости законов и значимости фундаментальных понятий.
Пособие написано с учетом изменений школьных программ по
физике. Мы считаем, что учащиеся освоили простейшие физические
понятия и владеют элементами высшей математики. Однако,
учитывая специфику обучения, мы повторили некоторые наиболее
важные понятия и определения курса элементарной физики.
Каждая глава заканчивается примерами решения задач, тексты
которых взяты из стандартных задачников.
Целью данного пособия является оказание помощи студентам,
изучающим курс физики в высших учебных заведениях.
Автор выражает глубокую признательность профессорам
В.А. Бетеву и А.А. Бирюкову, а также доцентам И.А. Шунину и
Т.С. Соломеиной за рецензирование пособия и ценные советы, позволившие
значительно улучшить книгу.
3
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ЧАСТЬ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 1. КИНЕМАТИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§1. Механическое движение. Кинематическое уравнение
движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§2. Скорость движения. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .
§3. Ускорение . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .
§4 Движение тела, брошенного под углом к горизонту . . .
§5. Вращение тела вокруг неподвижной оси . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 2. ДИНАМИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
§6. Законы И. Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§7. Силы в механике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§8. Импульс тела. Закон сохранения импульса . . . . . . . . . . . . . .
§9. Центр масс. Закон движения центра масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§10. Энергия, работа, мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§11. Кинетическая и потенциальная энергия . . . . . . . . . . . . . . . .
§12. Закон сохранения энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§13. Соударение тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 3. ДИНАМИКА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
ТВЕРДОГО ТЕЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§14. Момент силы. Момент импульса. Закон сохранения
момента импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§15. Момент инерции. Кинетическая энергия
вращающегося тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .
§16. Моменты инерции некоторых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§17. Основной закон динамики вращательного движения
Работа и мощность при вращательном движении . . . . . .
§18. Гироскопы........................................................................
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 4. ГРАВИТАЦИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§19. Законы Кеплера. Гравитационное поле . . . . . . . . . . . . . . . .
§20. Космические скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§21. Неинерциальные системы отсчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 5. ЭЛЕМЕНТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§22. Преобразования Галилея. Сложение скоростей в
классической механике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§23. Относительность одновременности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§24. Постулаты специальной теории относительности
(СТО). Преобразования Лоренца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§25. Энергия релятивистской частицы. Закон
взаимосвязи массы и энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............
1 9 0
. . . . 3
. . . . 4
. . . . 7
. . . . 7
. . . . 7
. . . . 9
. . . 11
. . . 13
. . . 15
. . . 20
. . . 27
. . . 27
. . . 29
. . . 30
. . . 33
. . . 34
. . . 36
. . . 38
. . . 39
. . . 42
. . . 51
. . . 51
. . . 53
. . . 54
.. . 56
. . . 58
. . . 61
. . . 69
. . . 69
. . . 71
. . . 72
. . . 75
. . . 79
. . 79
. . . 80
. . .81
. . . 87
Стр.192
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 6. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ . . . . . . . . . . .
§26. Гармонические колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§27. Физический и математический маятники . . . . . . . . . . . . . . .
§28. Сложение гармонических колебаний одного направления
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§29. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний . . . .
§30. Затухающие колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§31. Вынужденные колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§32. Механические волны в упругой среде . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§33. Уравнение плоской бегущей волны. Волновое уравнение
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .90
. . . 94
. . . 94
. . .97
. . . 99
. . .102
. . .105
. . . 106
. . . 108
§34. Стоячие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§35. Энергия и интенсивность волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§36. Звуковые волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ЧАСТЬ 2. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
И ТЕРМОДИНАМИКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 7. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ
ТЕОРИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§37. Понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§38. Основные положения молекулярно-кинетической
теории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§39. Количество вещества. Масса и размеры молекул . . . . . . .
§40. Основное уравнение молекулярно-кинетической
теории идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§41. Уравнение состояния идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§42. Закон распределения молекул по скоростям
(закон Максвелла) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§43. Барометрическая формула. Распределение Больцмана
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 8. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА В ГАЗАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§44. Средняя длина свободного пробега молекул . . . . . . . . . .
§45. Опытные законы явлений переноса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 9. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§46. Внутренняя энергия идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§47. Работа в термодинамике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§48. Первое начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§49. Кинетическая теория теплоемкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§50. Изопроцессы в газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 10. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ . . . . . . . . . . . . . . . .
§51. Круговые обратимые и необратимые процессы.
Цикл Карно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§52. Неравенство Клаузиуса. Энтропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§53. Энтропия и вероятность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§54. Второе начало термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 110
. . 111
. . 112
. . 114
. . 116
. . 121
. . 121
. . 121
. . 122
. . 123
. . 124
. . 126
. . 128
. . 132
. . 134
. . 140
. . 140
. . 141
. . 144
. . 147
. . 147
. . 149
. . 150
. . 151
. . 152
. . 159
. . 163
. . 163
. . 166
. . 168
. . 170
1 9 1
Стр.193
§55. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . .
§56. Изотермы реальных газов. Фазовые переходы . . . . . . . . . .
Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 11. ЖИДКОЕ И ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§57. Поверхностное натяжение жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§58. Смачивание. Капиллярные явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§59. Элементы динамики жидкостей и газов.
Уравнение неразрывности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§60. Уравнение Бернулли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§61. Применение уравнения Бернулли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§62. Твердые тела. Кристаллические и аморфные тела . . . . .
§63. Механические свойства твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 171
. . 172
. . 174
. . 179
. . 179
. . 180
. . . 182
. . 184
. . 185
. . 187
. . 188
Учебное издание
Рогачев Николай Михайлович
КУРС ФИЗИКИ
Книга 1
Механика
Молекулярная физика
Редактор: Т. К. К р е т и н и н а
Компьютерный набор, верстка, графика И.И. Спиридоновой
Подписано в печать 22.05.06 г. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл. печ. л.11,2. Усл кр.-отт. 11,3. Уч.-изд.л. 12,0.
Тираж 800 экз. Заказ
. Арт. С-23/2006.
Самарский государственный аэрокосмический университет.
443086 Самара, Московское шоссе, 34.
РИО Самарского государственного аэрокосмического университета.
443086 Самара, Московское шоссе, 34.
1 9 2
Стр.194