Физика

Здравствуйте, на этой странице я собрала полный курс лекций по предмету «физика».

Лекции подготовлены для школьников и студентов любых специальностей и охватывает полный курс предмета «физика», можно даже назвать — это онлайн учебником.

В лекциях вы найдёте основные законы, теоремы, формулы и подробную теорию.

Если что-то непонятно, Вы всегда можете написать мне в воцап и я помогу!

Механика и кинематика

К оглавлению…

Механика наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними.
В механике рассматривают взаимодействия тел, результатом которых являются изменения скоростей точек этих тел или их деформации. Например, притяжение тел по закону всемирного тяготения, взаимное давление соприкасающихся тел, воздействие частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся или покоящиеся в них тела и т. п.

Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей в пространстве: например, движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения, движение летательных аппаратов и транспортных средств, машин и механизмов, деформации элементов конструкций и сооружений, движение жидкостей и газов и др.

Механика состоит из следующих разделов:
1) механика материальной точки;
2) механика абсолютно твёрдого тела;
3) механика сплошной среды, в которую, в свою очередь, входят:
а) теория упругости;
б) теория пластичности;
в) гидродинамика;

Каждый из перечисленных разделов состоит из статики, динамики и кинематики.

Кинематика (в переводе с греч. — «движение») — раздел механики, в котором изучаются геометрические свойства движения тел без учета их массы и действующих на них сил.

Основные задачи кинематики точки:

  1. Описание движений, совершаемых точками по отношению к выбранной системе отсчёта, с помощью уравнений, таблиц или графиков. Описать движение точки значит определить положение точки в любой момент времени (или определить так называемые законы движения).
  2. Определение кинематических характеристик движения. Кинематическими характеристиками движения точки являются её скорость и ускорение.
  3. Изучение сложных (составных) движений и определение зависимости между характеристиками этих движений. Под сложным движением понимают движение тела относительно системы координат, которая сама движется (относительно другой, неподвижной системы координат).

Лекции:

  1. Система отсчёта в физике
  2. Поступательное движение в физике
  3. Траектория в физике
  4. Перемещение и путь в физике
  5. Скорость в физике
  6. Относительность механического движения в физике
  7. Относительная скорость в физике
  8. Закон сложения скоростей в физике
  9. Равномерное движение в физике
  10. Ускорение в физике
  11. Прямолинейное равноускоренное движение в физике
  12. Свободное падение в физике
  13. Равномерное движение точки по окружности в физике
  14. Центростремительное ускорение в физике
  15. Вращательное движение твёрдого тела в физике

Динамика

К оглавлению…

Динамика (в переводе с греч. — «сила») — раздел механики, посвящённый изучению движения материальных тел под действием приложенных к ним сил.

Движения любых материальных тел (кроме микрочастиц), происходящие со скоростями, не близкими к скорости света, изучаются в так называемой классической динамике.

Классическая динамика базируется на трёх основных законах, называемых законами Ньютона. К основным законам относят ещё закон независимости действия сил, согласно которому при одновременном действии на материальную точку нескольких сил каждая из них сообщает точке такое же ускорение, какое она сообщила бы, если бы действовала одна.
Следствиями названных законов являются все уравнения и теоремы динамики.

Лекции:

  1. Первый закон Ньютона в физике
  2. Инерциальные системы отсчёта в физике
  3. Принцип относительности Галилея в физике
  4. Взаимодействие в физике
  5. Масса тела в физике
  6. Плотность вещества в физике

Сила. Принцип суперпозиции сил

К оглавлению…

Сила в механике — это величина, являющаяся мерой взаимодействия тел.

При механическом движении проявляются следующие виды сил: силы упругости, силы трения и гравитационные силы (всемирного тяготения).

Проявлением действия силы является изменение ускорения тела.
Сила, как и скорость, — векторная величина, т. е. имеет не только численное значение, но и направление. Сила обычно обозначается буквой Физика, модуль силы — буквой Физика (без стрелки). Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы. Когда говорят о силе, важно указать, к какой точке тела приложена действующая на него сила. Если речь идёт об абсолютно твёрдом (недеформируемом) теле, то можно считать, что сила приложена к любой точке на линии её действия.

Итак, результат действия силы на тело зависит от её модуля, направления и точки приложения.

Иначе говоря, сила — векторная величина, характеризующаяся численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения.
Обычно на любое движущееся тело действует не одна, а сразу несколько сил. Так, например, на парашютиста, спускающегося на землю, действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. На тело, висящее на пружине, действуют две силы: сила тяжести и сила упругости пружины.
В каждом подобном случае несколько сил, приложенных к телу, можно заменить одной суммарной силой Физика, равноценной по своему действию этим силам. Сила, производящая на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил:

Физика

В этом состоит принцип суперпозиции (наложения) сил.
Равнодействующая сила, действующая на частицу со стороны других тел, равна векторной сумме сил, с которыми каждое из этих тел действует на частицу.

Для нахождения равнодействующей силы пользуются правилами сложения векторов (поскольку сила — векторная величина), в частности, сложение двух сил производится по правилу параллелограмма.

О двух силах, равных по величине и направленных вдоль одной прямой в противоположные стороны, говорят, что они уравновешивают, или компенсируют друг друга. Равнодействующая Физика таких сил всегда равна нулю и потому изменить скорость тела не может.

Для изменения скорости тела относительно земли необходимо, чтобы равнодействующая всех приложенных к телу сил была отлична от нуля. В том случае, когда тело движется в направлении равнодействующей силы, его скорость возрастает; при движении в противоположном направлении скорость тела убывает. Таким образом, направление скорости не всегда совпадает с направлением действующей силы Физика, а вот изменение направления скорости (а следовательно, и направление ускорения) всегда совпадает с направлением действующей силы.

Лекции:

  1. Второй закон Ньютона в физике
  2. Третий закон Ньютона в физике
  3. Закон всемирного тяготения в физике
  4. Сила тяжести в физике
  5. Вес в физике
  6. Невесомость и перегрузка в физике
  7. Космические скорости в физике
  8. Сила упругости в физике
  9. Закон Гука в физике
  10. Сила трения в физике
  11. Давление в физике

Статика

К оглавлению…

Статика (в переводе с греч. — «стоящий») — это раздел механики, в котором изучаются условия равновесия материальных тел под воздействием сил.

Статику разделяют на аналитическую и геометрическую.
Аналитическая статика описывает общие условия равновесия любой механической системы.
Геометрическая статика имеет дело с материальными частицами (материальными точками) и абсолютно твёрдым телом. Под абсолютно твёрдым телом понимают тело, расстояние между точками которого всегда остаётся неизменным.

Основные аксиомы геометрической статики:

  1. Равнодействующая двух сил, действующих на материальную точку, определяется по правилу параллелограмма.
  2. Две силы, действующие на материальную точку (или абсолютно твёрдое тело), считаются уравновешенными, если они равны по величине (модулю) и направлены вдоль одной прямой в противоположных направлениях.
  3. Сложение или вычитание уравновешенных сил не меняет действия данной системы сил на твёрдое тело. При этом уравновешенными называются силы, под действием которых свободное твёрдое тело может находиться в покое в инерциальной системе отсчёта.
    При изучении статики абсолютно твёрдого тела решаются следующие задачи:
    1) приведение всех сил, действующих на тело, к простейшему виду;
    2) определение условий равновесия сил, действующих на твёрдое тело.
    Геометрическая статика вытекает непосредственно из законов Ньютона и общих законов динамики.
    Условия равновесия упруго деформируемых тел, жидкостей и газов рассматриваются в теории упругости, гидростатике и аэростатике.

Лекции:

  1. Момент силы в физике
  2. Равновесие механической системы (абсолютно твёрдого тела) в физике
  3. Закон Паскаля в физике
  4. Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда (гидростатическое давление) в физике
  5. Закон Архимеда в физике
  6. Условия плавания тел в физике
  7. Законы сохранения в механике в физике
  8. Импульс силы в физике
  9. Импульс системы тел в физике
  10. Столкновение тел в физике

Работа силы

К оглавлению…

Термин «работа» был введён в физику в 1826 г. французским учёным Ж. Понселе. Если в обыденной жизни работой называют лишь труд человека, то в физике и, в частности, в механике принято считать, что работу совершает сила. Физическую величину работы обычно обозначают буквой Физика.

Работа силы — это мера действия силы, зависящая от её модуля и направления, а также от перемещения точки приложения силы. Для постоянной силы и прямолинейного перемещения работа определяется равенством:
Физика
где Физика — сила, действующая на тело, Физика — перемещение, Физика — угол между силой и перемещением (рис. 42).

Физика
Рис. 42

Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними, т. е. скалярному произведению векторов Физика и Физика.
Работа — величина скалярная. Если Физика, то Физика, а если Физика, то Физика; если же Физика, то Физика. Так, сила тяжести не совершает работу при перемещении тела по горизонтальной плоскости. Также при движении спутника по круговой орбите сила тяготения не совершает работу.
При действии на тело нескольких сил полная работа (сумма работ всех сил) равна работе результирующей силы.

Единицей работы в Физика является джоуль (1 Дж). 1 Дж — это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути в 1 м в направлении действия этой силы. Эта единица названа в честь английского учёного Дж. Джоуля (1818-1889): Физика. Часто применяются также килоджоули и миллиджоули: 1 кДж = 1000 Дж, 1 мДж = 0,001 Дж.

Лекции:

  1. Работа силы тяжести в физике
  2. Работа силы трения в физике
  3. Работа силы упругости в физике
  4. Мощность в физике
  5. Простые механизмы. КПД механизмов в физике

Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии

К оглавлению…

Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершать работу, то говорят, что они обладают энергией.

Слово «энергия» (от греч. energia — действие, деятельность) нередко употребляется в быту. Так, например, людей, которые могут быстро выполнять работу, называют энергичными, обладающими большой энергией.

Лекции:

  1. Кинетическая энергия в физике
  2. Потенциальная энергия в физике
  3. Закон сохранения механической энергии в физике

Механические колебания и волны. Механические колебания

К оглавлению…

Колебания — это движения или состояния, повторяющиеся во времени. Колебания являются очень распространённым видом движения. Это покачивание веток деревьев на ветру, вибрация струн музыкальных инструментов, движение поршня в цилиндре двигателя автомобиля, качание маятника в настенных часах и даже биение нашего сердца, пульсация излучения звёзд, внутри которых происходят циклические ядерные реакции, приливы и отливы на Земле, вызываемые движением Луны. Колебания свойственны практически всем явлениям природы.

Одним из видов колебаний, особо выделяемых в физике, являются механические колебания.

Рассмотрим колебательное движение на примере двух маятников — нитяного и пружинного.

Нитяной маятник изображён на рис. 52. Он представляет собой шарик, прикреплённый к легкой тонкой нити. Если этот шарик сместить в сторону от положения равновесия и отпустить, то он начнёт колебаться, т. е. совершать колебательные движения, периодически проходя через положение равновесия.

На рис. 53 изображён пружинный маятник. Он представляет собой груз, способный колебаться под действием силы упругости.
Колебательное движение характеризуют амплитудой Физика, периодом Физика и частотой колебаний Физика.

Физика
Рис. 52
Физика
Рис. 52

Лекции:

  1. Амплитуда колебаний в физике
  2. Период колебаний в физике
  3. Частота колебаний в физике
  4. Гармонические колебания в физике
  5. Свободные колебания в физике
  6. Динамика свободных колебаний в физике
  7. Фаза колебаний в физике
  8. Затухающие колебания в физике
  9. Вынужденные колебания в физике
  10. Резонанс в физике
  11. Упругие волны (механические волны) в физике
  12. Длина и скорость волны в физике
  13. Звук в физике
  14. Скорость звука в физике

Молекулярная физика. Термодинамика. Молекулярная физика. Основы молекулярно-кинетической теории

К оглавлению…

Молекулярная физика описывает строение вещества с помощью молекулярно-кинетической теории (МКТ), согласно которой все тела состоят из отдельных частиц — молекул и атомов, то есть не являются сплошными.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества:

  1. Вещество состоит из частиц (атомов и молекул).
  2. Эти частицы беспорядочно движутся.
  3. Частицы взаимодействуют друг с другом.
  4. Атом это наименьшая часть химического элемента, обладающая его свойствами и способная к самостоятельному существованию. Каждому элементу соответствует определённый род атомов, обозначаемый химическим символом этого элемента. Например, атом кислорода обозначается символом Физика, водорода — Физика, гелия — Физика и т. д.
  5. Атомы могут существовать в свободном состоянии (в виде отдельных атомов) в газах. В жидкостях и твёрдых телах они существуют в виде молекул, в которых соединяются с атомами того же элемента или других химических элементов (или, как принято говорить, существуют в связанном состоянии).
  6. Молекула мельчайшая устойчивая частица вещества, состоящая из атомов одного или нескольких химических элементов, сохраняющая основные химические свойства этого вещества.
  7. Атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы. Поскольку молекулы очень малы, в каждом физическом теле их содержится огромное количество. Так, в 1 Физика воздуха содержится около Физика молекул. Чтобы понять, насколько велико это число, представим себе, что через маленькое отверстие пропускают по миллиону молекул в секунду, тогда указанное количество молекул пройдёт через отверстие за 840 000 лет.

Обоснования молекулярно-кинетической теории

Диффузия, растворимость и броуновское движение могут быть объяснены только на основе представления о молекулярном строении веществ и являются убедительными обоснованиями первого и второго положений молекулярно-кинетической теории.

Лекции:

  1. Масса молекул в физике
  2. Броуновское движение в физике
  3. Диффузия в физике
  4. Взаимодействие частиц вещества в физике
  5. Модели строения газов, жидкостей и твёрдых тел в МКТ в физике
  6. Жидкость в физике
  7. Твёрдое тело. Кристаллические и аморфные тела в физике
  8. Модель идеального газа в МКТ в физике
  9. Основное уравнение МКТ (давление газа) в физике
  10. Температура и её измерение в физике
  11. Шкала абсолютных температур в физике
  12. Абсолютная температура в физике
  13. Уравнение Менделеева — Клапейрона (уравнение состояния идеального газа) в физике

Изопроцессы в газах

К оглавлению…

Изопроцессами называются процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров: давления Физика, объёма Физика, температуры Физика. В идеальном газе эти процессы подчиняются газовым законам — количественным зависимостям между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра.

Лекции:

  1. Закон Бойля — Мариотта в физике
  2. Закон Шарля в физике
  3. Закон Гей-Люссака в физике
  4. Свойства тел в разных агрегатных состояниях в физике
  5. Испарение и конденсация в физике
  6. Насыщенные и ненасыщенные пары в физике
  7. Кипение жидкости в физике
  8. Теплота парообразования в физике
  9. Влажность воздуха в физике
  10. Плавление и кристаллизация в физике

Термодинамика

К оглавлению…

Термодинамика — наука о наиболее общих тепловых свойствах макроскопических тел.

В термодинамике не вводятся упрощённые модели изучаемых явлений, поэтому выводы термодинамики имеют универсальный характер; не учитывается молекулярное строение тел. Термодинамика возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы.

Основные понятия термодинамики:

  • макроскопическая система — система, состоящая из большого числа частиц, причём чем большее число частиц входит в систему, тем точнее описание её свойств;
  • замкнутая система — это система, изолированная от любых внешних воздействий;
  • тело — макроскопическая система, заключённая в определённый объём;
  • равновесное состояние — это состояние макроскопической системы, при котором параметры, характеризующие её состояние, остаются неизменными во всех частях системы, т. е. отсутствуют потоки (импульса, энергии, массы и т. д.) между её частями;
  • процесс — изменение состояния тела со временем. Важными характеристиками процесса являются поглощённое телом количество теплоты Физика, совершённая над ним работа Физика.

Главное содержание термодинамики состоит в двух её началах (законах) — первом и втором; первое распространяет закон сохранения энергии на тепловые явления, второе же указывает направление возможных энергетических превращений в природе.

Лекции:

  1. Внутренняя энергия в физике
  2. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа в физике
  3. Теплообмен в физике
  4. Количество теплоты в физике
  5. Работа в термодинамике в физике
  6. Первый закон термодинамики в физике
  7. Уравнение теплового баланса в физике
  8. Второй закон термодинамики в физике
  9. Принцип действия и КПД тепловых двигателей в физике

Электродинамика

К оглавлению…

Электродинамика — это область физики, в которой изучаются свойства и закономерности поведения электромагнитного поля и движение электрических зарядов, взаимодействующих друг с другом посредством этого поля.

Структура Вселенной формируется гравитационным притяжением тел, однако наличие лишь сил притяжения привело бы к неограниченному их гравитационному сжатию. Чтобы существовали тела неизменных размеров, должны действовать также и силы отталкивания между телами. Такими силами являются силы электромагнитного взаимодействия. Эти силы могут вызывать как притяжение, так и отталкивание заряженных частиц. Силы электромагнитного взаимодействия частиц тела на много порядков превосходят гравитационные силы, поэтому структура тел определяется электромагнитным взаимодействием.

Среди четырёх типов взаимодействий — гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых — электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию применения.

Электродинамика возникла в результате многочисленных исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потёртого о шерсть, притягивать к себе лёгкие предметы и кончая гипотезой великого английского учёного Дж. К. Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

Лекции:

  1. Электрическое поле в физике
  2. Закон сохранения электрического заряда в физике
  3. Закон Кулона в физике
  4. Действие электрического поля на электрические заряды в физике
  5. Напряжённость электрического поля в физике
  6. Принцип суперпозиции электрических полей в физике
  7. Потенциальность электростатического поля в физике
  8. Разность потенциалов электрического поля в физике
  9. Проводники в электрическом поле в физике
  10. Диэлектрики в электрическом поле в физике
  11. Электрическая ёмкость конденсатора в физике
  12. Энергия поля конденсатора в физике
  13. Законы постоянного тока в физике
  14. Сила тока в физике
  15. Закон Ома для участка цепи в физике
  16. Электрическое сопротивление в физике
  17. Электродвижущая сила в физике
  18. Закон Ома для полной электрической цепи в физике
  19. Работа электрического тока. Закон Джоуля — Ленца в физике
  20. Мощность электрического тока в физике
  21. Свободные носители электрического заряда в металлах, жидкостях и газах в физике
  22. Электрический ток в газах в физике
  23. Электрический ток в электролитах в физике
  24. Полупроводники в физике

Магнитное поле. Взаимодействие токов

К оглавлению…

Магнитное поле — одна из форм материи (отличная от вещества), существующая в пространстве, окружающем постоянные магниты, проводники с током и движущиеся заряды. Магнитное поле вместе с электрическим полем образует единое электромагнитное поле.
Магнитное поле не только создаётся постоянными магнитами, движущимися зарядами и токами в проводниках, но и действует на них же.

Термин «магнитное поле» был введён в 1845 г. М. Фарадеем. К тому времени был уже известен ряд явлений электродинамики, требующих объяснения. К ним относятся, в частности, следующие.

  1. Явление взаимодействия постоянных магнитов (установление магнитной стрелки вдоль магнитного меридиана Земли, притяжение разноименных полюсов, отталкивание одноименных), известное с древних времен и систематически исследованное У. Гильбертом (результаты опубликованы в 1600 г. в его трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле»).
  2. В 1820 г. датский учёный Г. X. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, помещённая вблизи проводника, по которому течёт ток, поворачивается, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику.
  3. В том же году французский физик Ампер, которого заинтересовали опыты Эрстеда, обнаружил взаимодействие двух прямолинейных проводников с током. Оказалось, что если токи в проводниках текут в одну сторону, т. е. параллельны, то проводники притягиваются (рис. 106, а), если в противоположные стороны (т.е. антипараллельны), то отталкиваются (рис. 106, б).
Физика
Рис. 106


Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными, а силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, — магнитными силами.


Согласно теории близкодействия, которой придерживался М. Фарадей, ток в одном из проводников не может непосредственно влиять на ток в другом проводнике. Аналогично случаю с неподвижными электрическими зарядами, вокруг которых существует электрическое поле, был сделан вывод, что в пространстве, окружающем токи, существует магнитное поле, которое действует с некоторой силой на другой проводник с током, помещённый в это поле, либо на постоянный магнит. В свою очередь, магнитное поле, создаваемое вторым проводником с током, действует на ток в первом проводнике.

Физика
Рис. 107
Физика
Рис. 108

Подобно тому как электрическое поле обнаруживается по его воздействию на пробный заряд, внесенный в это поле, магнитное поле можно обнаружить по ориентирующему действию магнитного поля на рамку с током малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно меняется) размеров (рис. 107). Провода, подводящие ток к рамке, следует сплести (или расположить близко друг к другу), тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти провода, будет равна нулю. Силы же, действующие на такую рамку с током, будут её поворачивать, так что её плоскость установится перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. В примере, приведённом на рис. 107, рамка повернётся так, чтобы проводник с током оказался в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводнике рамка повернётся на 180°. В поле между полюсами постоянного магнита рамка повернётся плоскостью перпендикулярно магнитным силовым линиям магнита (рис. 108).

Лекции:

  1. Взаимодействие магнитов в физике
  2. Индукция магнитного поля в физике
  3. Закон Ампера в физике
  4. Сила Лоренца в физике
  5. Магнитные свойства веществ в физике
  6. Электромагнитная индукция в физике
  7. Закон электромагнитной индукции в физике
  8. Правило Ленца в физике
  9. Самоиндукция. Индуктивность в физике
  10. Энергия магнитного поля в физике

Электромагнитные колебания и волны.
Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре

К оглавлению…

В физике существуют колебания двух типов — механические и электромагнитные, которые подчиняются одинаковым количественным законам.
Колебательный контур — это электрическая цепь, содержащая индуктивность Физика, ёмкость Физика и сопротивление Физика, в которой могут возбуждаться электрические колебания.

Физика
Рис. 136

Различают линейные и нелинейные колебательные контуры. Параметры Физика, Физика и Физика линейного колебательного контура не зависят от интенсивности колебаний, а период колебаний не зависит от амплитуды. При отсутствии потерь Физика в линейном колебательном контуре происходят свободные гармонические колебания.

Для возбуждения колебаний в контуре конденсатор предварительно заряжают от батареи аккумуляторов, сообщив ему энергию Физика, и переводят переключатель в положение 2 (рис. 136). После замыкания цепи конденсатор начнёт разряжаться через катушку индуктивности, теряя энергию. В цепи появится ток, вызывающий переменное магнитное поле.

Физика
Рис. 137

Переменное магнитное поле, в свою очередь, приводит к созданию вихревого электрического поля, препятствующего току, в результате чего изменение тока происходит постепенно. По мере увеличения тока через катушку возрастает энергия магнитного поля Физика. Полная энергия W электромагнитного поля контура остаётся постоянной (при отсутствии сопротивления) и равной сумме энергий магнитного и электрического полей. Полная энергия, в силу закона сохранения энергии, равна максимальной энергии электрического или магнитного поля:

Физика
(3.19)

где Физика — индуктивность катушки, Физика и Физика — сила тока и её максимальное значение, Физика и Физика — заряд конденсатора и его максимальное значение, Физика — ёмкость конденсатора.

Процесс перекачки энергии в колебательном контуре между электрическим полем конденсатора при его разрядке и магнитным полем, сосредоточенным в катушке, полностью аналогичен процессу превращения потенциальной энергии растянутой пружины или поднятого груза математического маятника в кинетическую энергию при механических колебаниях последних. Рис. 137 иллюстрирует сказанное.

Дифференциальное уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре, можно получить, приравняв производную по полной энергии контура (3.19) к нулю (поскольку полная энергия постоянна) и заменив в полученном уравнении ток на производную заряда по времени.

Физика
(3.20)

Как видно, уравнение (3.20) ничем не отличается по форме от соответствующего дифференциального уравнения (1.54) для свободных механических колебаний шарика на пружине. Заменив механические параметры системы на электрические, мы в точности получим уравнение (3.20).
По аналогии с дифференциальным уравнением для механической колебательной системы циклическая частота свободных электрических колебаний равна:

Физика
(3.21)

Период свободных колебаний в контуре равен:

Физика
(3.22)

Формула (3.22) называется формулой Томсона в честь английского физика У. Томсона (Кельвина), который её вывел.

Увеличение периода свободных колебаний с возрастанием Физика и Физика объясняется тем, что при увеличении индуктивности ток медленнее нарастает и медленнее падает до нуля, а чем больше ёмкость, тем больше времени требуется для перезарядки конденсатора.

Лекции:

  1. Гармонические колебания заряда и тока в физике
  2. Вынужденные электромагнитные колебания в физике
  3. Резонанс в электрической цепи в физике
  4. Электромагнитное поле в физике
  5. Электромагнитные волны в физике
  6. Переменный ток в физике
  7. Эффективные (действующие) значения напряжения и силы тока в физике
  8. Ёмкостное сопротивление в физике
  9. Индуктивное сопротивление в физике
  10. Производство, передача и потребление электрической энергии в физике
  11. Трансформатор в физике
  12. Различные виды электромагнитных излучений и их практическое применение в физике
  13. Применение радиоволн в физике

Оптика

К оглавлению…

Оптика — это раздел физики, изучающий законы излучения, распространения света и взаимодействия с веществом.
Практическое применение результатов исследований всех разделов оптики огромно. Пожалуй, нет отрасли науки или народного хозяйства, в которой не использовались бы достижения оптики или оптические методы исследования — от освещения улиц до новых систем храпения и записи информации для нужд вычислительной техники, до слежения за искусственными спутниками Земли и использования линий лазерной оптической связи для ведения телефонных переговоров и передачи изображений.

Прямолинейное распространение света в однородной среде.
Геометрическая оптика

Геометрическая оптика — это раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных веществах (средах) и построения изображений предметов с помощью оптических систем, в которые входят зеркала, линзы, призмы и другие оптические элементы.

Геометрическая оптика основывается на следующих основных законах, установленных опытным путём ещё в глубокой древности:
1) закон прямолинейного распространения света;
2) закон отражения света от зеркальной поверхности;
3) закон преломления света на границе двух прозрачных сред;
4) закон независимости световых пучков или световых лучей.
Законы геометрической оптики используются для расчёта оптических систем, например, микроскопов, телескопов, больших зеркал и объективов, используемых в астрономии, фотоаппаратах и др.

Лекции:

  1. Скорость света и её измерение в физике
  2. Световой луч в физике
  3. Закон отражения света в физике
  4. Отражение света в физике
  5. Построение изображений в плоском зеркале в физике
  6. Закон преломления света в физике
  7. Абсолютный и относительный показатели преломления в физике
  8. Полное внутреннее отражение в физике
  9. Линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила линзы в физике
  10. Фокусы линзы в физике
  11. Оптическая сила линзы в физике
  12. Построение изображений в линзах в физике
  13. Оптические приборы. Глаз как оптическая система в физике
  14. Интерференция света в физике
  15. Когерентность в физике
  16. Монохроматическое излучение в физике
  17. Опыт Юнга в физике
  18. Дифракция света в физике
  19. Дифракционная решётка в физике
  20. Дисперсия света в физике

Основы специальной теории относительности

К оглавлению…

Постулаты специальной теории относительности

Теория относительности — теория, описывающая универсальные пространственно-временные свойства физических процессов.
Альберт Эйнштейн создал новую теорию — теорию относительности, или релятивистскую механику (от лат. relativus — относительный).
Необходимость создания теории относительности была вызвана тем, что возникли сомнения в справедливости принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. Так, в опыте А. Майкельсона и Э. Морли (1881 г.), в котором сравнивали скорость распространения света вдоль направления орбитальной скорости Земли вокруг Солнца и перпендикулярно этому направлению, было установлено, что движение Земли вокруг Солнца не влияет на скорость распространения света. Это противоречит закону сложения скоростей Галилея.
Согласовать принцип относительности Галилея с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчёта.

Главный вклад Эйнштейна в познание законов природы состоял в радикальном изменении основополагающих представлений о пространстве, времени, веществе и движении.

Специальная теория относительности (СТО) рассматривает взаимосвязь физических процессов, происходящих только в инерциальных системах отсчёта, т. е. в системах отсчёта, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. СТО предполагает отсутствие гравитационных полей.

Общая теория относительности описывает взаимосвязь физических процессов, происходящих в ускоренно движущихся друг относительно друга (неинерциальных) системах отсчёта.
Общая теория относительности является релятивистской теорией тяготения (гравитации). Согласно этой теории физическое пространство не является простым вместилищем объектов. Гравитационное поле физических тел приводит к неевклидовости пространства—времени.

Специальная теория относительности Эйнштейна основывается на двух постулатах.

  1. Принцип относительности — главный постулат СТО — все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.
  2. Второй постулат гласит: скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчёта. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приёмника светового сигнала.

Следствия постулатов специальной теории относительности

Теория относительности представляет собой новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым классическим представлениям. Согласно теории относительности, одновременность событий, расстояния и промежутки времени являются не абсолютными, а относительными. Они зависят от системы отсчёта.
Причиной несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование предельной конечной скорости передачи взаимодействий вызывает необходимость глубокого изменения обычных представлений о пространстве и времени, основанных на повседневном опыте. Представление об абсолютном времени, которое течёт в раз и навсегда заданном темпе, совершенно независимо от материи и её движения, оказывается неправильным.
Основными следствиями являются следующие.
Относительность расстояний, которая выражается формулой:

Физика
(4.1)

где Физика — длина тела в системе отсчёта Физика, относительно которой тело покоится; Физика — длина тела в системе Физика относительно которой тело движется со скоростью Физика. Как видно из формулы, Физика. Из неё следует, что наибольшей длиной обладает тело в той системе отсчёта, относительно которой оно покоится. В этом состоит релятивистское сокращение размеров тела в движущихся системах отсчёта.
Относительность промежутка времени выражается формулой:

Физика
(4.2)

где Физика — интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы координат Физика — интервал времени между теми же событиями в системе отсчёта Физика , движущейся относительно системы Физика со скоростью Физика. Очевидно, что Физика.

Таким образом, длительность события оказывается наименьшей в неподвижной системе отсчёта. При этом чем больше относительная скорость движения двух систем, тем больше разница в длительности событий, измеренных в этих системах. Из формул (4.1) и (4.2) следует также, что скорость света — это предельная скорость тела при любом движении, поскольку при Физика формулы теряют смысл.

Релятивистский закон сложения скоростей для частного случая движения тела со скоростью Физика вдоль оси Физика системы отсчёта Физика, которая, в свою очередь, движется со скоростью Физика относительно системы отсчёта Физика, причём так, что координатные оси Физика и Физика совпадают, а координатные оси Физика и Физика, Физика и Физика остаются параллельными, имеет вид:

Физика
(4.3)

где Физика — скорость движения тела относительно системы отсчёта Физика.
Из этой формулы видно, что луч света, распространяющийся со скоростью Физика в движущейся системе координат, будет распространяться с той же скоростью сив неподвижной системе координат.

Лекции:

  1. Основной закон релятивистской динамики в физике
  2. Полная и кинетическая энергии частицы в физике
  3. Основные уравнения релятивистской механики в физике

Квантовая физика

К оглавлению…

Лекции:

  1. Гипотеза планка о квантах в физике
  2. Фотоэффект в физике
  3. Фотоны. Энергия и импульс фотона в физике
  4. Корпускулярно-волновой дуализм в физике
  5. Дифракция электронов в физике

Физика атома.
Планетарная модель атома

К оглавлению…

Атом — это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и обладающая его свойствами.
Каждому элементу соответствует определённый род атомов, обозначаемый химическим символом этого элемента. Например, атом кислорода обозначается символом Физика, атом водорода Физика, атом гелия Физика.

Атомы могут существовать в свободном состоянии (в виде отдельных атомов) в газах. В жидкостях и твёрдых телах они существуют в виде молекул, в которых соединяются с атомами того же элемента или других химических элементов (или, как принято говорить, существуют в связанном состоянии).

Со времен Демокрита (ок. 460-370 гг. до н.э.) и до конца XIX в. атом считался неделимой частицей — кирпичиком мироздания. После открытия электрона в 1897 г. английским учёным Дж. Дж. Томсоном стало ясно, что атом — сложная система.

С целью выяснения распределения положительного заряда в атоме английский учёный Э. Резерфорд исследовал рассеяние Физика-частиц фольгой из различных веществ. Большинство Физика-частиц беспрепятственно, почти без отклонений, проникало через фольгу, и только 1 из 2000 частиц отклонялась на углы, большие 90°. В результате этих экспериментов в 1911 г. Резерфорд предложил следующую модель строения атома.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого обращаются электроны, каждый на своей орбите, подобно планетам Солнечной системы, обращающимся вокруг Солнца. Поэтому модель называют планетарной (рис. 177).

Физика
Рис. 177

Расстояние от электронов до ядра очень велико по сравнению с размерами ядра. Оценки Резерфорда показали, что диаметр ядра составляет порядка Физика. Размер самого атома Физика.

Положительный заряд ядра Физика связан с числом электронов Физика в атоме соотношением:
Физика
где Физика — заряд электрона.


Заряд ядра и число электронов в атоме, соответственно, совпадает с порядковым номером Физика элемента в таблице Д. И. Менделеева. В целом атом электронейтрален. При отрыве электрона от атома или присоединении электрона к атому (в результате столкновений, например, или при различных химических процессах) могут образоваться положительно или отрицательно заряженные ионы.

Простая и наглядная модель атома Резерфорда прекрасно объясняла результаты его опытов. Однако на основании этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Согласно законам электродинамики Максвелла электрон, движущийся по орбите с немалым ускорением, должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра, в результате чего в скором времени, потеряв в результате излучения всю энергию, упасть на ядро. Согласно расчётам, основанным на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, время это составляет всего Физика. В действительности ничего подобного не происходит. Нейтральные невозбуждённые атомы существуют неограниченно долго.

Это несоответствие опыта выводам теории связано с попыткой применения законов классической физики к внутриатомным явлениям (которые, как оказалось, подчиняются законам квантовой механики).
Выход из создавшейся в теории атома ситуации был найден датским физиком Нильсом Бором.

Лекции:

  1. Постулаты Бора в физике
  2. Оптические спектры в физике
  3. Виды спектров в физике
  4. Лазер в физике

Физика атомного ядра.
Состав ядра

К оглавлению…

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами).
Ядро было открыто Э. Резерфордом в 1911 г. при исследовании прохождения Физика-частиц через вещество. Оказалось, что почти вся масса атома (99,95%) сосредоточена в ядре. Размер атомного ядра имеет порядок величины Физика см, что в 10 000 раз меньше размера электронной оболочки.

Предложенная Э. Резерфордом планетарная модель атома и экспериментальное наблюдение им ядер водорода, выбитых Физика-частицами из ядер других элементов (1919-1920 гг.), привели учёного к представлению о протоне.

Протон (в переводе с греч. — «первый», символ Физика) — положительно заряженная частица, заряд которой по абсолютной величине равен заряду электрона Физика Кл. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса покоя протона Физика.

Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ни другой, символ Физика) — это элементарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная. Масса нейтрона в 1839 раз превышает массу электрона. Масса нейтрона почти равна (незначительно больше) массе протона: масса покоя свободного нейтрона Физика а.е.м. и превосходит массу протона на 2,5 массы электрона. Нейтроны и протоны имеют общее название нуклоны.

Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвиком при бомбардировке бериллия Физика-частицами. Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало преграду из свинцовой пластины толщиной 10-20 см) усиливало своё действие при прохождении через парафиновую пластину. Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это Физика-кванты. Большая проникающая способность новых частиц, названных нейтронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвика. При попадании Физика-частиц (Физика-частица — ядро изотопа гелия Физика) в ядра бериллия происходит следующая реакция:
Физика

Здесь Физика — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная атомная масса приблизительно равна единице. Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время ~15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино.
После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Физика совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева.
Заряд ядра Физика определяется числом протонов Физика, входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона Физика:
Физика


Число Физика называется зарядовым числом ядра, или атомным номером.
Массовым числом ядра Физика называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содержащихся в нём. Число нейтронов в ядре обозначается буквой Физика. Таким образом, массовое число равно:
Физика

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.
Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов.


Изотопы (в переводе с греч. — «равный, одинаковый» и «место») — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов (Z) и различное число нейтронов (N).


Изотопами называются также ядра таких атомов. Изотопы являются нуклидами одного элемента. Нуклид (от лат. nucleus — ядро) — любое атомное ядро (соответственно, атом) с заданными числами Z и N. Общее обозначение нуклидов имеет вид Физика, где X — символ химического элемента, А = Z + N — массовое число.
Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и произошло их название. По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (и почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемента определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы лёгких элементов. Изотопы водорода Физика — протий, Физика — дейтерий, Физика — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и химические свойства различны. Дейтерий стабилен (т.е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжёлая вода. Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2 °C и замерзает при +3,8 °C. Тритий Физика-радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.


У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы.
У урана есть два изотопа — с массовыми числами 235 и 238. Изотоп Физика составляет всего 1/140 часть от более распространённого Физика.

Лекции:

  1. Ядерные силы в физике
  2. Радиоактивность в физике
  3. Радиоактивные превращения. Альфа-, бета-, гамма-распад в физике
  4. Закон радиоактивного распада. Период полураспада в физике
  5. Экспериментальные методы регистрации элементарных частиц в физике
  6. Ядерные реакции в физике
  7. Законы сохранения заряда, массового числа и энергии в физике
  8. Деление и синтез ядер в физике
  9. Цепные ядерные реакции в физике

Возможно эти дополнительные страницы вам будут полезны: