КУРС ФИЗИКИ 51 страница

В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000 m_e, который представ­ляет собой структуру из кварка и антикварка нового типа — b -кварка (является носи­телем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной «прелестью» (от англ. beauty)). Заряд b -кварка равен – ¹/₃. Предполагается, что существует и шестой кварк t с зарядом + ² / ₃, который уже решено назвать истинным (от англ. truth — ис­тина), подобно тому как с -кварк называют очарованным, b -кварк — прелестным. В физике элементарных частиц введен «аромат» — характеристика типа кварка (и, d, s, с, b, t?), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, пре­лесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняет­ся в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, изложение курса физики закончено. Начав его детальное изучение с физичес­ких основ механики, мы последовательно рассмотрели основы молекулярной физики и термодинамики, учение об электричестве и электромагнетизме, колебания и волны, оптику, элементы квантовой физики и физики твердого тела, физики ядра и элементар­ных частиц. Приведенный перечень разделов, изложенных в курсе, позволяет просле­дить логику развития физики и эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления.

Со времени выхода в свет труда И. Ньютона «Математические начала натура­льной философии» (1687), в котором он сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, прошло более трехсот лет. За это время физика прошла путь от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.

Однако, несмотря на огромные успехи, которых физика достигла за это время и особенно в XX столетии, современная физика и астрофизика стоят перед целым рядом нерешенных проблем.

Например, проблемы физики плазмы — разработка методов разогрева плазмы до примерно 10⁹ К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции; квантовой электроники — существенное повышение к.п.д. лазе­ров, расширение диапазона длин волн лазерного излучения с плавной перестройкой по частоте и т. д.; физики твердого тела — получение материалов с наперед заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому «спектру» характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников и т. д.; физики атомного ядра — осуществление управляемого термоядерного синтеза, поиск долгоживущих элементов с Z = 114¸126, предсказанных теорией, построение теории сильных взаимодействий и т.д.; физики элементарных частиц — доказательство реальности существования кварков и глюонов (частиц, осуществляющих взаимодействие между кварками), построение квантовой теории тяготения и т. д.; астрофизики — природа квазаров (мощных внегалактических источников электромагнитного излучения), при­чины вспышек сверхновых звезд, состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звезд и т.д. Поставленные проблемы требуют дальнейшего разрешения.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие...................................................................................................................................................... 2

Введение............................................................................................................................................................. 2

Предмет физики и ее связь с другими науками.......................................................................................... 2

Единицы физических величин..................................................................................................................... 3

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ...................................................................................................... 4

Глава 1Элементы кинематики........................................................................................................................ 4

§ 1. Модели в механике. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения.................. 4

§ 2. Скорость................................................................................................................................................... 6

§ 3. Ускорение и его составляющие............................................................................................................. 7

§ 4. Угловая скорость и угловое ускорение................................................................................................ 9

Глава 2 Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела........................... 11

§ 5. Первый закон Ньютона. Масса. Сила................................................................................................. 11

§ 6. Второй закон Ньютона......................................................................................................................... 11

§ 7. Третий закон Ньютона......................................................................................................................... 13

§ 8. Силы трения.......................................................................................................................................... 13

§ 9. Закон сохранения импульса. Центр масс........................................................................................... 14

§ 10. Уравнение движения тела переменной массы................................................................................ 16

Глава 3 Работа и энергия................................................................................................................................ 17

§11. Энергия, работа, мощность................................................................................................................. 17

§ 12. Кинетическая и потенциальная энергии.......................................................................................... 18

§ 13. Закон сохранения энергии................................................................................................................. 20

§ 14. Графическом представление энергии............................................................................................... 22

§ 15. Удар абсолютно упругих и неупругих тел...................................................................................... 23

Глава 4 Механика твердого тела.................................................................................................................... 27

§ 16. Момент инерции................................................................................................................................. 27

§ 17. Кинетическая энергия вращения...................................................................................................... 28

§ 18. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела........................... 28

§ 19. Момент импульса и закон то сохранения........................................................................................ 29

§ 20. Свободные оси. Гироскоп.................................................................................................................. 32

§ 21. Деформации твердого тела................................................................................................................ 34

Глава 5Тяготение. Элементы теории поля.................................................................................................. 36

§ 22. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения............................................................................... 36

§ 23. Сила тяжести и вес. Невесомость..................................................................................................... 37

§ 24. Поле тяготения и то напряженность................................................................................................. 38

§ 25. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения..................................................................... 38

§ 26. Космические скорости....................................................................................................................... 40

§ 27. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции........................................................................ 40

Глава 6Элементы механики жидкостей....................................................................................................... 44

§ 28. Давление в жидкости и газе.............................................................................................................. 44

§ 29. Уравнение неразрывности................................................................................................................. 45

§ 30. Уравнение Бернулли и следствия из него........................................................................................ 46

§ 31. Вязкость (внутреннее трение). Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей..... 48

§ 32. Методы определения вязкости.......................................................................................................... 50

§ 33. Движение тел в жидкостях и газах................................................................................................... 51

Глава 7 Элементы специальной (частной) теории относительности........................................................ 53

§ 34. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности.......................................... 53

§ 35. Постулаты специальной (частной) теории относительности........................................................ 54

§ 36. Преобразования Лоренца................................................................................................................... 55

§ 37. Следствия из преобразований Лоренца........................................................................................... 56

§ 38. Интервал между событиями.............................................................................................................. 59

§ 39. Основной закон релятивистской динамики материальной точки................................................ 60

§ 40. Закон взаимосвязи массы и энергии................................................................................................. 61

2 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ.......................................................... 63

Глава 8 Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов.................................................................... 63

§ 41. Статистический и термодинамический методы. Опытные законы идеального газа.................. 63

§ 42. Уравнение Клапейрона — Менделеева............................................................................................ 66

§ 43. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов................................ 67

§ 44. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения....................................................................................................................................................... 69

§ 45. Барометрическая формула. Распределение Больцмана................................................................... 71

§ 46. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул............................. 72

§ 47. Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории.......................................................... 73

§ 48. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах............................................... 74

§ 48. Вакуум и методы его получения. Свойства ультраразреженных газов........................................ 76

Глава 9 Основы термодинамики................................................................................................................... 78

§ 50. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул.......................................................................................................................................... 78

§ 51. Первое начало термодинамики......................................................................................................... 79

§ 52. Работа газа при изменении его объема............................................................................................. 80

§ 53. Теплоемкость....................................................................................................................................... 81

§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам...................................................... 82

§ 55. Адиабатический процесс. Политропный процесс.......................................................................... 84

§ 56. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы................................................. 86

§ 57. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью............ 87

§ 58. Второе начало термодинамики......................................................................................................... 89

§ 59. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. п. д. для идеального газа. 90

Задачи............................................................................................................................................................ 92

Глава 10 Реальные газы, жидкости и твердые тела..................................................................................... 93

§ 60. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия.......................................... 93

§ 61. Уравнение Ван-дер-Ваальса.............................................................................................................. 94

§ 62. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ........................................................................................... 95

§ 63. Внутренняя энергия реального газа.................................................................................................. 97

§ 64. Эффект Джоуля — Томсона............................................................................................................... 98

§ 65. Сжижение газов.................................................................................................................................. 99

§ 66. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение......................................................................... 100

§ 67. Смачивание....................................................................................................................................... 102

§ 68. Давление под искривленной поверхностью жидкости................................................................ 103

§ 69. Капиллярные явления...................................................................................................................... 104

§ 70. Твердые тела. Моно- и поликристаллы.......................................................................................... 104

§ 71. Типы кристаллических твердых тел............................................................................................... 105

§ 72. Дефекты в кристаллах...................................................................................................................... 109

§ 73. Теплоемкость твердых тел............................................................................................................... 110

§ 74. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Аморфные тела................................... 111

§ 75. Фазовые переходы I и П рода.......................................................................................................... 113

§ 76. Диаграмма состояния. Тройная точка............................................................................................. 114

Задачи.......................................................................................................................................................... 115

3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ....................................................................................... 116

Глава 11Электростатика.............................................................................................................................. 116

§ 77. Закон сохранения электрического заряда...................................................................................... 116

§ 78. Закон Кулона..................................................................................................................................... 117

§ 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля...................................... 117

§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя............................................ 119

§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме............................................................ 120

§ 82. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме...... 122

§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля................................................ 124

§ 84. Потенциал электростатического поля............................................................................................ 125

§ 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности......................... 126

§ 86. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля...................................................... 127

§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков......................................................................... 128

§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике............................................................. 129

§ 88. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике....... 130

§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред............................................................ 131

§ 91. Сегнетоэлектрики............................................................................................................................. 132

§ 92. Проводники в электростатическом поле....................................................................................... 134

§ 93. Электрическая емкость уединенного проводника........................................................................ 136

§ 94. Конденсаторы.................................................................................................................................... 136

§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля.............................................................................................................................................................. 138

Задачи.......................................................................................................................................................... 140

Глава 12Постоянный электрический ток.................................................................................................. 141

§ 96. Электрический ток, сила и плотность тока................................................................................... 141

§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение............................................................ 142

§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников...................................................................................... 143

§ 99. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца........................................................................ 144

§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи............................................................................... 145

§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей............................................................................. 146

Задачи.......................................................................................................................................................... 148

Глава 13 Электрические токи в металлах, вакууме и газах...................................................................... 148

§ 102. Элементарная классическая теория электропроводности металлов......................................... 148

§ 103. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов...................................................................................................................................................... 149

§ 104. Работа выхода электронов из металла.......................................................................................... 151

§ 105. Эмиссионные явления и их применение..................................................................................... 152

§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд.............................................................. 154

§ 107. Самостоятельный газовый разряд и его типы............................................................................. 155

§ 108. Плазма и ее свойства...................................................................................................................... 158

Задачи.......................................................................................................................................................... 159

Глава 14 Магнитное поле............................................................................................................................. 159

§ 109. Магнитное поле и его характеристики........................................................................................ 159

§ 110. Закон Био — Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поля.................... 162

§ 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов................................................................ 163

§ 112. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля 164

§ 113. Магнитное поле движущегося заряда........................................................................................... 165

§ 114. Действие магнитного поля на движущийся заряд...................................................................... 166

§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле...................................................................... 166

§ 116. Ускорители заряженных частиц.................................................................................................... 167

§ 117. Эффект Холла.................................................................................................................................. 169

§ 118. Циркуляция вектора В магнитного поля в вакууме................................................................... 169

§ 119. Магнитные поля соленоида и тороида......................................................................................... 171

§ 120. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В............................................ 172

§ 121. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле........................... 172

Задачи.......................................................................................................................................................... 174

Глава 15 Электромагнитная индукция....................................................................................................... 174

§122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)........................................................... 174

§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии....................................................... 175

§ 124. Вращение рамки в магнитном поле.............................................................................................. 177

§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)........................................................................................................... 177

§ 126. Индуктивность контура. Самоиндукция..................................................................................... 178

§ 127. Токи при размыкании и замыкании цепи.................................................................................... 179

§ 128. Взаимная индукция........................................................................................................................ 181

§ 129. Трансформаторы............................................................................................................................. 182

§ 130. Энергия магнитного поля.............................................................................................................. 183

Глава 16 Магнитные свойства вещества.................................................................................................... 184

§ 131. Магнитные моменты электронов и атомов................................................................................. 184

§ 132. Диа- и парамагнетизм..................................................................................................................... 186

§ 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществе.......................................................................... 187

§ 134. Условия на границе раздела двух магнетиков............................................................................ 189

§ 135. Ферромагнетики и их свойства..................................................................................................... 190

§ 136. Природа ферромагнетизма............................................................................................................. 191

Глава 17 Основы теории Максвелла для электромагнитного поля......................................................... 193

§ 137. Вихревое электрическое поле....................................................................................................... 193

§ 138. Ток смещения.................................................................................................................................. 194

§ 139. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля.................................................................. 196

4 КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ............................................................................................................................ 198

Глава 18 Механические и электромагнитные колебания......................................................................... 198

§ 140. Гармонические колебания и их характеристики......................................................................... 198

§ 141. Механические гармонические колебания.................................................................................... 200

§ 142. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники........... 201

§ 143. Свободные гармонические колебания в колебательном контуре............................................. 203

§ 144. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения. 205

§ 145. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний.................................................................... 206

§ 146. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания.............................................................................. 208

§ 147. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение................................................................................................................................................ 211

§ 148. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний (механических и электромагнитных). Резонанс 213

§ 148. Переменный ток.............................................................................................................................. 215

§ 150. Резонанс напряжений..................................................................................................................... 217

Дата добавления: 2014-11-25