Краткий курс физики для бакалавров: учебное пособие

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» ПРЕДИСЛОВИЕ Данное учебное пособие соответствует требованиям федерального государственного образовательного стандарта и рабочим программам по дисциплине«Физика», которая составляет фундамент инженерного и естественного образования. Оно предназначено для бакалавро... Размерность всех физических величин приводится в системе СИ, векторные величины выделены жирным шрифтом, при написании формул используются стандартные обозначения. 4.1. Преобразования Галилея и механический принцип относительности 4.4. Следствия из преобразований Лоренца 4.5. Основной закон динамики релятивистской частицы Основной закон динамики релятивистской частицы имеет вид O M M׳ O A O N Fi S С А О О A F M Mz F M О A L F О С O K K O׳ A O 2-Mech.pdf 5.4. Барометрическая формула P0 Р P0 P0 5.6. Распределение Максвелла N Рис. 5.5. Зависимость f(υ) от температуры Рис. 5.6. Опыт Штерна 6.1. Внутренняя энергия откуда следует, что Теплоемкость при изотермическом процессе 7.3. Диффузия 8.2. Понятие фазы и фазовых переходов 8.3. Уравнение Ван-дер-Ваальса 8.4. Изотермы реальных газов T V P2=const P1>P2 P V T2 > T1 T1 T2 P T=const V Рис. 6.6. Адиабата и изотерма Рис. 6.7. Круговой процесс (цикл) P O S Eп O А P VМ T4 Tкр Pкр Vкр C T2 В К D Глава 9. ЖИДКОСТИ § 9.1. Свойства и строение жидкостей Рис. 9.1. Капля жидкости на твердой поверхности: 9.5. Жидкие растворы Многие жидкости являются хорошими растворителями (вода, бензин, скипидар и др.). В жидкостях могут растворяться твердые вещества, а также жидкости и газы. При образовании раствора молекулы растворенного вещества равномерно распределяются между молекул... 10.2. Физические типы кристаллических решеток T Q Tпл T Q Tкр 3-Mech.pdf В векторной форме закон Кулона имеет вид F Контактная разность потенциалов Е Уровни свободного атома 4-Mag.pdf МАГНЕТИЗМ Глава 14. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ 14.1. Магнитное поле и его характеристики 14.2. Закон Био–Савара–Лапласа и его применение к расчету магнитного поля где dB – индукция, создаваемая элементом длины проводника dl. 14.3. Закон Ампера В 1820 г. А. Ампер установил, что сила, с которой магнитное поле действует на элементарный проводник с током I и длиной dl, равна Пусть элемент проводника с током перпендикулярен направлению магнитного поля. тогда sinα = 1 и dF = IВdl. Отсюда получаем выражение которое помогает определить физический смысл величины В: магнитная индукция численно равна силе, действующей со стороны магнитного поля на 1 м проводника, по которому течет ток в 1 А и который расположен перпендикулярно направлению магнитного поля. ... 14.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током Законы Био–Савара–Лапласа и Ампера применяются для определения силы взаимодействия двух параллельных проводников с током. Рассмотрим два бесконечных прямолинейных проводника с токами I1 и I2, расстояние между которыми равно а. На рис. 14.10 проводники... I S N I I А I C S N I I B I Рис. 14.12. Определение полного тока I Рис. 14.17. Рамка в магнитном поле: а – вид рамки сбоку; б – вид рамки сверху. Рис. 14.18. Магнитный момент витка с током L N S G Рис. 16.1. Опыт Фарадея 16.2. Явление самоиндукции Вокруг любого проводника с током существует собственное магнитное поле, которое пронизывает этот проводник. При изменении тока в контуре также меняется и собственный магнитный поток через этот контур. Отсюда следует, что в контуре индуцируется ЭДС и п... 16.3. Явление взаимной индукции Глава 17. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА 17.1. Теория Максвелла для электромагнитного поля 17.3. Ток смещения Рис. 17.1. Цепь с конден-сатором для определения тока смещения S I 5-opt.pdf A А 19.1. Волновые процессы. Виды волн 20.1. Основные законы геометрической оптики 20.2. Явление полного внутреннего отражения Рис. 20.3. Электромагнитная волна Н Е 5-opt.pdf A А 19.1. Волновые процессы. Виды волн 20.1. Основные законы геометрической оптики 20.2. Явление полного внутреннего отражения Рис. 20.3. Электромагнитная волна Н Е 6-Fiz.pdf Э R 23.6. Искусственная оптическая анизотропия 24.2. Дисперсия света § 25.3. Закон Кирхгофа 25.4. Законы Стефана−Больцмана и смещения Вина B А 25.5. Квантовый характер излучения 25.6. Пирометрия и пирометры В 1899 г. Ф. Ленард и Д. Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из нее отрицательно заряженные частицы. Измерение заряда этих частиц по их отклонению в магнитном поле показало, что они представляют собой электроны. Та... Для более тщательного изучения фотоэффекта пользуются установкой, изображенной на рис. 26.2. В замкнутой колбе находятся два электрода: катод и анод. На катод, покрытый исследуемым металлом, падает свет через окошко закрытое кварцевым стекло... Данная установка, называемая вакуумным фотоэлементом, позволяет установить связь между поданным на электроды напряжением Uа и током Iа. Зависимость силы фототока от напряжения называется вольтамперной характеристикой и имеет вид, изображенный на рис. ... А. Г. Столетов два года исследовал новое явление и установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта: Соответственно красная граница фотоэффекта (0 = A/hN смещается в сторону более коротких частот. C G V S D Iа Uа 7-vTR.pdf Глава 29. АТОМНОЕ ЯДРО 29.1. Состав ядра. Характеристики ядра Как было показано ранее, любой атом состоит из ядра и двигающихся вокруг него электронов. Атомное ядро характеризуется зарядом Z, массой М, спином s, определенным радиусом R и рядом других параметров. Ядра атомов состоят из положительно заряженных про... 29.2. Капельная и оболочная модели ядра 29.5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Альфа-, бета-, гамма–излучения 29.9. Термоядерные реакции. Управляемый термоядерный синтез 30.1. Свойства элементарных частиц. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия 2. Спин, или собственный момент импульса, измеряется в единицах h (постоянная Планка) и может иметь только квантованные значения, равные целому или полуцелому числу h. В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны – частицы со спина... 3. Среднее время жизни, связанное с самопроизвольным распадом частиц и превращением их в другие, варьируется от 10-24с для короткоживущих частиц (всевозможных возбужденных частиц-резонансов) до бесконечности для абсолютно стабильных час... 4. Электрический заряд, который характеризует способность частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии с другими частицами, кратен заряду электрона. Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда. Кроме этих характеристик имеются и более сложные, которые учитывают возможность частиц участвовать в других взаимодействиях и возможные варианты их взаимопревращений (реакций). Как известно, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому ядерному и сильному ядерному. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все измене... Гравитационное взаимодействие присуще всем элементарным частицам, имеющим ненулевую массу покоя. Это взаимодействие действует на больших расстояниях, но оно самое слабое по величине и поэтому не влияет на процессы взаимопревращений элементарных частиц. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода со... Электромагнитное взаимодействие присуще элементарным частицам, имеющим электрический заряд, отличный от нуля, оно также дальнодействующее, а по величине энергии взаимодействия на 36 порядков сильнее гравитационного. Электрические и магнитн... Слабое и сильное ядерные взаимодействия являются близкодействующими, они действуют между частицами только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра (10-18 – 10-15 м). По величине они больше гравитационного на 28 и 38 порядков соответственно. Слабое я... Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий – сильное ядерное взаимодействие, являющееся источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывн... 30.2. Классификация элементарных частиц Элементарные частицы принято условно делить на четыре класса: переносчики взаимодействия, лептоны, барионы и мезоны (последние два типа частиц объединяют общим названием – адроны). Первый класс состоит из фотонов, которые участвуют только в электромагнитном взаимодействии, глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, бозонов – переносчиков слабого взаимодействия. Второй класс – класс лептонов – состоит из частиц, участвующих в слабом и электромагнитном взаимодействиях, если они имеют электрический заряд. Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и лептонный заряд, который подобно электрическому ... Третий класс – класс барионов – состоит из частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из них могут также участвовать и в слабом, и в электромагнитном взаимодействиях. Барионы имеют спин, равный 1/2, и барионный заряд, который сох... Четвертый класс – класс мезонов. По видам взаимодействий он сходен с классом барионов, но спин и барионный заряд данных частиц равны нулю. К классу мезонов относится до сотни частиц. Согласно теории и результатам экспериментов, каждой частице, кроме фотона, соответствует античастица, которая отличается только противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. Например, электрону соответствует антиэлектрон или позитрон, пр... Наиболее распространенными частицами по Вселенной являются нейтрино. Нейтрино не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще не существует. Достаточно широко распространены в природ... Адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны делят на барионы (s = 1/... Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленными лептонами и адронами, образующими строительный материал вещества. Еще один тип частиц – переносчики взаимодействия, которые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обесп... Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной. 30.3. Современное состояние теории элементарных частиц. Гипотеза Великого объединения В настоящее время не существует законченной теории, объясняющей все характеристики частиц и все виды реакций. Однако разработана хорошая методика классификации частиц. Эта классификация основана на представлении о существовании суперэлементарных части... Квантовая электродинамика. Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не описывает их возникновение или уничтожение. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля, в которой взаимодействие представляют как р... Теория кварков. Гелл-Манн и Цвейг в 1964 г. предложили модель строения адронов из более фундаментальных частиц, названными кварками. Кварки несут дробный электрический заряд, величина которого составляет ( 1/3 или ( 2/3 от заряда электрона. Все кварки... Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк – антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы, наиболее известны из них – нейтрон и протон. Более легкие пары кварк... В 70-е годы были открыты три новых аромата кварков. Они получили названия: c -кварк (от charm – очарование), b -кварк (от beauty – прелесть), и t -кварк (от top – верхний). Теория электрослабого взаимодействия. В 70-е годы ХХ века два взаимодействия физики объединили в одно. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого та... Главная идея состояла в описании слабого взаимодействия с помощью калибровочного поля и калибровочной симметрии. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ в. – это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддер... Согласно современным представлениям, все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа – поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями «слабого заряда», котор... Симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля в отличие от единственного электромагнитного поля. Было предсказано и существование трех новых перено... Квантовая хромодинамика. Следующий шаг на пути возможного объединения всех фундаментальных взаимодействий – слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию. Было предполож... Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка (игра цветов). Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиня... Гипотеза Великого объединения. Квантовая хромодинамика послужила стимулом к созданию единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Велик... 8-SOC.pdf ПРЕДИСЛОВИЕ Введение…………………………………………...………….. 1.3. Частные случаи движения………………………..…………... 5.4. Барометрическая формула………………………………............ 5.5. Закон Больцмана о распределении частиц во внешнем потенциальном поле………………………………….............. 5.6. Распределение Максвелла………………………………............ 6.4. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам…………………………………………………. 6.6. Второе начало термодинамики. Энтропия ………………….. 7.1. Теплопроводность…………………………………………….... 9.1. Свойства и строение жидкостей……………………………….. 9.2. Поверхностное натяжение жидкостей……………………….... 9.4. Поверхностное испарение и кипение жидкостей…………….. 11.2. Закон Кулона………………………………………………….. 14.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током.. 16.2. Явление самоиндукции……………………………………….... 16.3. Явление взаимной индукции…………………………………... 17.3. Ток смещения………………………………………………….... 18.4. Затухающие колебания……………………………………….... 20.1. Основные законы геометрической оптики…………………... Глава 23. Поляризация света………………………………………. 23.6. Искусственная оптическая анизотропия……………………. 25.1. Теплообмен. Правило Прево………………………………… 25.3. Закон Кирхгофа……………………………………………….. 25.4. Законы Стефана-Больцмана и смещения Вина…………….. 25.5. Квантовый характер излучения…………………………….... 25.6. Пирометрия и пирометры……………………………………. Глава 26. Корпускулярные свойства света……………………… 26.1. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта ………………………………………………. 26.2. Масса и импульс фотона…………………………………….. 26.3. Давление света………………………………………………... 26.4. Эффект Комптона …………………………………………… Глава 29. Атомное ядро……………………………………………... 29.1. Состав ядра. Характеристики ядра…………………………..... 29.2. Капельная и оболочная модели ядра………………………...... 29.5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Альфа-, бета-, гамма – излучения…………………………….. 29.9. Термоядерные реакции. Управляемый термоядерный синтез…………………………………………………………... 30.1. Свойства элементарных частиц. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия………………. 30.2. Классификация элементарных частиц………………………... 30.3. Современное состояние теории элементарных частиц. Гипотеза Великого объединения………………………………...... ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................ 8-SOC.pdf ПРЕДИСЛОВИЕ Введение…………………………………………...………….. 1.3. Частные случаи движения………………………..…………... 5.4. Барометрическая формула………………………………............ 5.5. Закон Больцмана о распределении частиц во внешнем потенциальном поле………………………………….............. 5.6. Распределение Максвелла………………………………............ 6.4. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам…………………………………………………. 6.6. Второе начало термодинамики. Энтропия ………………….. 7.1. Теплопроводность…………………………………………….... 9.1. Свойства и строение жидкостей……………………………….. 9.2. Поверхностное натяжение жидкостей……………………….... 9.4. Поверхностное испарение и кипение жидкостей…………….. 11.2. Закон Кулона………………………………………………….. 14.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током.. 16.2. Явление самоиндукции……………………………………….... 16.3. Явление взаимной индукции…………………………………... 17.3. Ток смещения………………………………………………….... 18.4. Затухающие колебания……………………………………….... 20.1. Основные законы геометрической оптики…………………... Глава 23. Поляризация света………………………………………. 23.6. Искусственная оптическая анизотропия……………………. 25.1. Теплообмен. Правило Прево………………………………… 25.3. Закон Кирхгофа……………………………………………….. 25.4. Законы Стефана-Больцмана и смещения Вина…………….. 25.5. Квантовый характер излучения…………………………….... 25.6. Пирометрия и пирометры……………………………………. Глава 26. Корпускулярные свойства света……………………… 26.1. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта ………………………………………………. 26.2. Масса и импульс фотона…………………………………….. 26.3. Давление света………………………………………………... 26.4. Эффект Комптона …………………………………………… Глава 29. Атомное ядро……………………………………………... 29.1. Состав ядра. Характеристики ядра…………………………..... 29.2. Капельная и оболочная модели ядра………………………...... 29.5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Альфа-, бета-, гамма – излучения…………………………….. 29.9. Термоядерные реакции. Управляемый термоядерный синтез…………………………………………………………... 30.1. Свойства элементарных частиц. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия………………. 30.2. Классификация элементарных частиц………………………... 30.3. Современное состояние теории элементарных частиц. Гипотеза Великого объединения………………………………...... ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................ 8-SOC.pdf ПРЕДИСЛОВИЕ Введение…………………………………………...………….. 1.3. Частные случаи движения………………………..…………... 5.4. Барометрическая формула………………………………............ 5.5. Закон Больцмана о распределении частиц во внешнем потенциальном поле………………………………….............. 5.6. Распределение Максвелла………………………………............ 6.4. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам…………………………………………………. 6.6. Второе начало термодинамики. Энтропия ………………….. 7.1. Теплопроводность…………………………………………….... 9.1. Свойства и строение жидкостей……………………………….. 9.2. Поверхностное натяжение жидкостей……………………….... 9.4. Поверхностное испарение и кипение жидкостей…………….. 11.2. Закон Кулона………………………………………………….. 14.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током.. 16.2. Явление самоиндукции……………………………………….... 16.3. Явление взаимной индукции…………………………………... 17.3. Ток смещения………………………………………………….... 18.4. Затухающие колебания……………………………………….... 20.1. Основные законы геометрической оптики…………………... Глава 23. Поляризация света………………………………………. 23.6. Искусственная оптическая анизотропия……………………. 25.1. Теплообмен. Правило Прево………………………………… 25.3. Закон Кирхгофа……………………………………………….. 25.4. Законы Стефана-Больцмана и смещения Вина…………….. 25.5. Квантовый характер излучения…………………………….... 25.6. Пирометрия и пирометры……………………………………. Глава 26. Корпускулярные свойства света……………………… 26.1. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта ………………………………………………. 26.2. Масса и импульс фотона…………………………………….. 26.3. Давление света………………………………………………... 26.4. Эффект Комптона …………………………………………… Глава 29. Атомное ядро……………………………………………... 29.1. Состав ядра. Характеристики ядра…………………………..... 29.2. Капельная и оболочная модели ядра………………………...... 29.5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Альфа-, бета-, гамма – излучения…………………………….. 29.9. Термоядерные реакции. Управляемый термоядерный синтез…………………………………………………………... 30.1. Свойства элементарных частиц. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия………………. 30.2. Классификация элементарных частиц………………………... 30.3. Современное состояние теории элементарных частиц. Гипотеза Великого объединения………………………………...... ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................