Физика. Уч. пособие в 3 кн. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С.

Книга 1.  ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ      ..................................................................................................... 9

I. КИНЕМАТИКА     ...................................................................................................... 11

§  1. Пространство. Время    ........................................................................................... 11

Свойства симметрии (12).

§ 2. Механическое движение. Система отсчета.............................................................. 13

Система отсчета (13). Объективное и субъективное в законах природы (15).

§ 3. Материальная точка. Поступательное движение...................................................... 16

Физическая модель (18).

§ 4. Радиус-вектор. Перемещение................................................................................... 19

Траектория (19). Сложение векторов (20).

§ 5. Одновременные перемещения. Сложение перемещений.......................................... 21

Независимость перемещений (22). Геометрия и опыт (23). Искривлен­ное пространство (24).

§ 6. Средняя скорость    .................................................................................................. 25

Вектор средней скорости (26). Пройденный путь (26).

§ 7. Скорость................................................................................................................... 28

Вектор скорости и траектория (28). Скорость прохождения пути (29). Сложение скоростей (29). Скорость как производная (34).

§ 8. Ускорение................................................................................................................. 34

Ускорение — вектор (35). Направление ускорения (35). Центростреми­тельное ускорение (36). Ускорение — производная скорости (37). Тан­генциальное и нормальное ускорения (39).

§ 9. Одномерное движение     ......................................................................................... 41

График движения (41). Путь на графике скорости (43). Степени свобо­ды (45).

§ 10. Неравномерное одномерное движение     .............................................................. 46

Равноускоренное и равнозамедленное движения (46). Путь при равнопе­ременном движении (47). Скорость и наклон касательной (48). Свобод­ное падение (50). Формулы равноускоренного движения (55).

§  11. Движение по окружности...................................................................................... 57

Период и частота (58). Угловая скорость как вектор (60). Векторное произведение (60).

§ 12. Равнопеременное движение в пространстве.......................................................... 61

Перемещение в пространстве (61). Векторные формулы при а = const (65).

§ 13. Траектории............................................................................................................. 65

Системы координат (66). Координаты как проекции радиуса-вектора (66). Траектория — плоская кривая (67). Уравнение траектории (68). Независимость движений (69). Граница достижимых целей (70). Другой способ нахождения границы (72). Нахождение экстремумов (73). Обра­тимость движения (74).

§  14. Относительность механического движения.......................................................... 76

Движение в разных системах отсчета (76). Относительная скорость и ус­корение (77).

II. ДИНАМИКА............................................................................................................. 83

§15. Инерция. Первый закон Ньютона............................................................................ 83

Системы отсчета в динамике (83). Движение по инерции (84). Инерци-альные системы отсчета (85). Геоцентрическая и гелиоцентрическая си­стемы отсчета (85). Первый закон Ньютона (86). Свободное тело (86). Инерциальные системы и опыт (87).

§16. Сила — мера взаимодействия.................................................................................. 88

Виды сил (88). Измерение сил (88). Градуировка динамометра (89). Си­ла — вектор (90).

§  17. Связь между силой и ускорением. Второй закон Ньютона     .............................. 91

Инертность (93). Масса как мера инертности (93). Свойства массы (93). Второй закон Ньютона (94). Сила и движения (94).

§  18. Взаимодействие тел. Третий закон Ньютона......................................................... 95

Действие и противодействие (96). Взвешивание Луны (97). Логическая структура динамики (99). Законы динамики и опыт (100).

§19. Применение законов динамики............................................................................. 101

Движение со связями (101).

§ 20. Силы в природе. Трение     ................................................................................. 107

Виды трения (108). Трение покоя (109). Трение скольжения (ПО). Пол­ная сила реакции (111).

§ 21. Проявления сухого трения.................................................................................. 117

Природа сил трения (117). Как управлять трением (119). «Занос» авто­мобиля (121). Нелинейные свойства трения (121).

§ 22. Силы тяготения     ............................................................................................... 124

Гравитационная постоянная (124). Законы Кеплера (125). Гравитацион­ное поле (126). Напряженность поля тяготения (126). Принцип супер­позиции (127). Притяжение сферических тел (127). Свободное падение (129). Взвешивание Земли (129). Геометрия и тяготение (130). Инерт­ная и гравитационная массы (131).

§ 23. Движение в поле тяготения................................................................................. 133

Первая космическая скорость (133). Круговая скорость (134). Кеплерово движение (136). Конические сечения (137). Сила тяжести внутри Земли (137).

§ 24. Силы упругости и деформации........................................................................... 140

Виды деформаций (140). Закон Гука (140). Модуль Юнга (141). Коэф­фициент Пуассона (142). Всестороннее сжатие (142). Неоднородная де­формация (142). Проявление упругих сил (143).

§ 25. Механическое состояние. Уравнение движения     ............................................ 143

Уравнение движения (144). Начальные условия (144). Алгоритм чис­ленного решения (144). Системы взаимодействующих тел (146). Нахож­дение сил по движению (146). Разные движения поэллипсам (149).

§ 26. Принцип относительности Галилея..................................................................... 150

Равноправие инерциальных систем (150). Абсолютные и относительные величины (151). Движение в разных системах отсчета (152). Принцип относительности на практике (153).

§ 27. Системы единиц................................................................................................... 155

Эталон (155). Соотношения между единицами (155). Основные и про-извоные единицы (155). Единицы площади (156). Размерность физиче­ской величины (156). Эталоны времени и длины (157). Эталон массы (157).

§ 28. Метод анализа размерностей     .......................................................................... 158

Применения метода размерностей (159). Выбор параметров (160). Без­размерный параметр (160). Векторные единицы длины (161).

III.  ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ      ........................................................................... 157

§ 29. Импульс. Импульс силы....................................................................................... 165

Закон изменения импульса (165). Импульс силы (166). Импульс систе­мы (166). Внутренние и внешние силы (166). Сравнение с динамиче­ским подходом (167).

§ 30. Центр масс. Реактивное движение    ................................................................... 172

Определение центра масс (172). Скорость центра масс (173). Закон дви­жения центра масс (174). Космонафт вне корабля (174). Роль внутрен­них сил (175). Реактивное движение (176). Уравнение Мещерского (176). Формула Циолковского (178). Топливо для космических полетов (178).

§ 31. Механическая работа. Кинетическая энергия.................................................... 179

Свойства работы (180). Работа переменной силы (181). Мощность (182). Единицы работы и мощности (182). Кинетическая энергия (182). Теоре­ма о кинетической энергии (183).

§ 32. Потенциальная энергия    ................................................................................... 186

Превращения энергии (186). Работа внутренних сил (186). Потенциаль­ная энергия (187). Работа в однородном поле (188). Работа и потенци­альная энергия (188). Центральное поле (189). Потенциальная энергия а поле тяготения (189). Энергия упругой деформации (192). Связь силы и потенциальной энергии (192). Эквипотенциальные поверхности (193). Вывод формулы для потенциальной энергии (194). Градиент функции (195).

§ 33. Закон сохранения механической энергии.......................................................... 195

Механическая энергия (195).

§ 34. Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени.................... 201

Однородность пространства (202). Однородность времени (202). Связь пространства и времени (203). Сохранение энергии и однородность вре­мени (204). Симметрия при масштабных преобразованиях (205). Физи­ческое подобие (206).

§ 35. Применение законов сохранения при решении задач     .................................... 207

§ 36. Космическая динамика и законы сохранения     ................................................. 216

Вторая космическая скорость (216). Космические скорости и движение Земли (224). Третья космическая скорость (227). Сохранение энергии и системы отсчета (228). О задаче трех тел (229).

§ 37. Столкновения частиц     ...................................................................................... 230

Неупругие столкновения (231). Приведенная масса (231). Упругие стол­кновения (232). Передача энергии при еударе (233). Система центра масс (235). Угол рассеяния (236). Обратимость упругих столкновений (237). Отбор нужных решений (237).

§ 38. Фазовая плоскость. Адиабатические инварианты............................................... 242

Фазовые траектории (242). Фазоваф траектория и потенциальная энер­гия (244). Математический маятник (245). Фазовый портрет маятника (246). Адиабатические инварианты (247). Пример инварианта (248). Ге­ометрический смысл инварианта (249). Физический смысл инварианта (249). Условие существования инварианта (250).

§ 39. Механическое равновесие................................................................................... 251

Модель абсолютно твердого тела (251). Условия равновесия (252). Силы реакции (253). Момент силы (253). Уравнение моментов (253). Пример равновесия (254). Золотое правило механики (255). Устойчивость рав­новесия (257). Роль трения (259).

§ 40. Движение твердого тела...................................................................................... 260

Поступательное движение (260). Вращение вокруг оси (261). Плоское движение (261). Вращение вокруг точки (262). Момент импульса (263).

Динамика твердого тела (263). Момент инерции (263). Кинетическая энергия (265). Гироскоп (265).

IV. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ................................................................................... 267

Признаки колебаний (267). Особенности физики колебаний (267).

§ 41. Собственные колебания    ................................................................................... 268

Простейший осциллятор (268). Гармонические колебания (270). Частота и период (270). Фаза колебаний (270). Начальные условия (270). Изо­хронность осциллятора (271). Векторный диаграммы (271). Энергетиче­ские превращения (271). Фазовые траектрии (274). Линейные и нели­нейные системы (274). Ангармонический маятник (278).

§ 42. Затухающие колебания    .................................................................................... 279

Осциллятор с затуханием (279). Диссипация энергии (279). Время жиз­ни колебаний (281). Фазовая траектория (281). Точное решение (281). Сухое трение (282). Область застоя (282). Сшивание решений (283). Фазовая траектория (284). Погрешности стрелочных приборов (284). Идеализации в принятой модели (285). Неоднородная деформация пру­жины (286). Энергия осциллятора и быстрые колебания (287).

§ 43. Собственные колебания в разных физических системах..................................... 288

§ 44. Вынужденные колебания. Резонанс..................................................................... 295

Установление колебаний (295). Синусоидальное воздействие (295). Уравнение движения (296). Установившиеся колебания (296). Фазовые соотношения (297). Резонанс (298). Векторные диаграммы (299). Резо­нансные Кривые (301). Максимальная амплитуда (302). Фазовые соот­ношения (302). Резонанс скорости (303).

§ 45. Энергетические превращения при вынужденных колебаниях. Установление

колебаний.................................................................................................. 304

Энергия установившихся колебаний (302). Энергетические превращения (302). Поглощаемая мощность (305). Устойчивость вынужденных коле­баний (306). Переходные процессы (306). Время установления колеба­ний (308). Несинусоидальное периодическое воздействие (309).

§ 46. Волны     .............................................................................................................. 311

Волны в дискретной цепочке (311). Поляризация волн (312). Волны в натянутой струне (313). Длина струны (313). Скорость поперечной вол­ны (314). О дисперсии волн (316). Скорость продольных волн (316). Энергия волны (317). Плотность кинетической энергии бегущей волны (317). Плотность потенциальной энергии (318). Энергия бегущей воны (319). Плоская волна (320). Сферическая волна (320).

§ 47. Интерференция и дифракция волн. Эффект Доплера    ...................................... 321

Когерентные волны (321). Интерференционная картина (321). Стоячая волна (323). Стоячая волна и маятник (321). Волновые поверхности (324). Фронт волны (324). Принцип Гюйгенса (325). Волны в неодно­родной среде (326). Дифракция волн (326). Волна от движущегося ис­точника (327). Конус Маха (328). Эффект Доплера (329). Акустические волны (330).

Книга 2.  ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение     ...............................................................................................................          9

I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА...........................................................................................        11

§ 1.   Электрический заряд. Закон Кулона.................................................................        11

Электрический заряд (11). Электризация тел (12). Проводники и диэлект­рики (12). Закон Кулона (13). Единицы заряда (15). Элементарный элект­рический заряд (16). Закон сохранения электрического заряда (17).

§ 2.   Электрическое поле. Напряженность поля.......................................................        19

Дальнодействие и близкодействие (19). Напряженность электрического поля (20). Принцип суперпозиции (22). Линии напряженности (23).

§ 3.   Теорема Гаусса    ............................................................................................        24

Поток напряженности (25). Поля симметричных источников (27). Теорема Гаусса и геометрия физического пространства (29).

§ 4.   Потенциал электростатического поля. Энергия системы зарядов     ..............        31

Потенциальная энергия (31). Потенциал электрического поля (31). Потен­циал поля точечного заряда (32). Принцип суперпозиции для потенциала (33). Работа электрического поля. Напряжение (33). Эквипотенциальные поверхности (34). Связь напряженности и потенциала (35). Энергия сис­темы зарядов (35). Вывод формулы y = kqir (38). О модели точечного заряда (38). Напряженность как градиент потенциала (39).

§ 5.   Расчет электрических полей    ........................................................................        39

§ 6.   Проводники в электрическом поле...................................................................        49

Напряженность поля внутри проводника (49). Проводники и закон Куло­на (49). Напряженность поля и поверхностная плотность зарядов (50). Распределение зарядов по поверхности проводника (51). Распределение зарядов на поверхности (54). Энергия заряда вблизи проводника (54). Энергия системы точечных зарядов и проводников (55). Еще о методе изображений (57).

§ 7.   Силы в электростатическом поле.....................................................................        59

Диполь в однородном поле (59). Энергия диполя во внешнем поле (60). Диполь в неоднородном поле (61). Диполь в поле точечного заряда (62). Силы, действующие на проводник (63). Электростатическое давле­ние (64).

§ 8.   Конденсаторы. Электроемкость.......................................................................        65

Примеры конденсаторов (65). Единицы емкости (66). Электроемкость и геометрия конденсатора (67). Емкость плоского конденсатора (67). Ем­кость сферического конденсатора (68). Емкость уединенного проводника (68). Конденсатор с диэлектриком (68). Диэлектрическая проницаемость (69). Батареи конденсаторов (69). Поле внутри и вне конденсатора (71). Заряд на внешней поверхности обкладки (71). Плоский конденсатор с эк­раном (73).

§ 9.   Энергия электрического поля..........................................................................        75

Энергия плоского конденсатора (75). Энергия конденсатора (76). Плот­ность энергии электрического поля (76). Энергия заряженного шара (77). Собственная энергия точечного заряда (77). Собственная энергия провод­ника (79). Энергетические превращения в конденсаторах (79). Изменение энергии и работа источника (82). Конденсатор с диэлектриком (83).

II. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК............................................................        86

§10. Характеристики электрического тока. Закон Ома    ........................................        86

Плотность тока (86). Сила тока (87). Единица силы тока (88). Действия электрического тока (88). Закон Ома (89). Однородные и изотропные проводники (90). Удельное сопротивление (90). Закон Ома для однород­ного участка (91). Сопротивление и его единицы (91). Зависимость сопро­тивления от температуры (92). Вольт-амперная характеристика (93). Ли­нейные и нелинейные явления в электрических цепях (94). Дифференци­альное сопротивление (94).

§11. Соединение проводников в электрические цепи...............................................        95

Эквивалентное сопротивление цепи (95). Последовательное соединение (95). Параллельное соединение (96). Эквивалентные схемы (96). Расчет мостовой схемы (98). Измерения в электрических цепях (99). Шунт для амперметра (100). Добавочное сопротивление для вольтметра (100). Мост Уитстона (101).

§ 12. Закон Ома для неоднородной цепи..................................................................      105

Контактная разность потенциалов (105). Ток в неоднородном участке цепи (106). Замкнутая неоднородная цепь (107). Электродвижущая сила (108). ЭДС в разных источниках (109). Внутреннее сопротивление источника тока (109). Простейшая замкнутая цепь (109). Составная внешняя цепь (ПО). Напряжение на источнике тока (112). Измерение ЭДС (113).

§ 13. Расчет цепей постоянного тока.......................................................................      114

Последовательное соединение источников тока (115). Параллельное со­единение источников тока (116). Всегда ли нужен второй источник? (116). Правила Кирхгофа (117). Правила расчета сложных цепей (119). Пример расчета (119).

§ 14. Работа и мощность постоянного тока.............................................................      122

Закон Джоуля—Ленца (122). Зарядка аккумулятора (124). Работа источ­ника тока (125). Определение ЭДС (125). Мощность и КПД источника

тока (126). Поле сторонних сил (128). Работа и теплота в произвольной цепи (129).

§ 15. Магнитное поле постоянного тока..................................................................      130

Индукция магнитного поля (130). Единица магнитной индукции (131). Магнитные силовые линии (131). Закон Био—Савара—Лапласа (131). Поле кругового тока (133). Теорема о циркуляции (134). Поле в соленоиде (135). Поле в тороидальной катушке (136). Поле внутри проводника с током (137). Магнитный поток (138). Магнитное поле движущегося заряда (138). О потенциале магнитного поля (140). Магнитный момент кругового тока (140).

§ 16. Действие магнитного поля на движущиеся заряды..........................................      143

Сила Ампера (143). Взаимодействие двух параллельных токов (144). Пол­ная магнитная сила, действующая на ток (145). Единица силы тока — ампер (146). Механическая работа в магнитном поле (146). Сила Лоренца (147). Свойства силы Лоренца (148). Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях (148). Циклотронная частота (150).

III. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ    ...................................................................      154

§17. Явление электромагнитной индукции     ..........................................................      154

Индукционный ток (154). Закон Ленца (156). ЭДС индукции (156). Закон электромагнитной индукции (157). Природа сторонних сил. Вихревое электрическое поле (157). Сила Лоренца как причина сторонней силы (158). ЭДС индукции и работа силы Лоренца (158). Исключения из правила потока (161). Явление самоиндукции (162). Индуктивность (162). Наблюдение самоиндукции (163). Самоиндукция — аналог инерции (163). Единица индуктивности (164). Индуктивность соленоида (164). Вихревые токи (164).

§ 18. Электрические машины постоянного тока    ...................................................      166

Модель электрической машины (166). Типы электрических машин (168). Условия работы электродвигателя (168). Максимальная мощность двига­теля (170). КПД двигателя (170).

§19. Энергия магнитного поля.................................................................................      172

Опыт по обнаружению энергии магнитного поля (173). Расчет энергии магнитного поля (172). Объемная плотнеть энергии магнитного поля (174). Магнитная проницаемость вещества (174). О природе магнитных свойств вещества (175).

§ 20. Основы теории электромагнитного поля    .....................................................      176

Относительный характер электрического и магнитного полей (176). Элект­рическое и магнитное поля в разных системах отсчета (177). Инварианты электромагнитного поля (178). Изменяющееся электрическое поле как источник магнитного поля (179). Обобщение теоремы о циркуляции маг­нитного поля (181). Ток смещения (181). Уравнения Максвелла (182). Еауссова система единиц (182). Электродинамическая постоянная (183). Основные формулы в гауссовой системе (184).

§ 21. Квазистационарные явления в электрических цепях........................................      185

Условия квазистационарности (186). Цепь с активным сопротивлением (186). Емкостное сопротивление (187). Индуктивное сопротивление (188). Фазовые сдвиги (189). Процесс зарядки конденсатора (190). Дифференци­альное уравнение процесса (191). Экспоненциальная зависимость (191). Процесс разрядки конденсатора (192). Ток в цепи с индуктивностью (193).

IV.   ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК....................................................      195

§ 22. Цепи переменного тока. Закон Ома     ............................................................      195

Прямоугольные импульсы в АС-цепочке (195). Синусоидальное напряже­ние в АС-цепочке (196). Векторные диаграммы (197). Последовательная RLC-цепь (198). Резонанс напряжений (200). Параллельная RLC-цепь (200). Резонанс токов (201). Закон Ома (202).

§ 23. Работа и мощность переменного тока. Передача электроэнергии    .............      204

Мгновенная мощность (204). Средняя мощность. Действующие значения (205). Потери в линиях передачи (205). Уменьшение потерь (207). Высо­ковольтные линии передачи (207). Трансформатор (207). Режим холосто­го хода (209). Трансформатор под нагрузкой (209). Выпрямление пере­менного тока (210).

§ 24. Трехфазный ток. Электрические машины переменного тока     .....................      212

Соединения звездой и треугольником (213). Векторные диаграммы (214). Модель синхронного и асинхронного двигателей (215). Вращающееся маг­нитное поле (217).

V.  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ   ..................................      220

§ 25. Колебательный контур     ................................................................................      220

Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями (220). Энергия колебаний (221). Собственная частота (221). Амплитуда и начальная фаза (221). Энергетические превращения (222). Уравнение для колебаний в контуре (223). Затухание электромагнитных колебаний (224). Диссипация энергии колебаний (225). Время жизни колебаний (225). Точное решение (226). Контур без сопротивления с неизбежными потеря­ми (229). Колебательный контур с нелинейными элементами (231).

§ 26. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс.................................................      232

Уравнение вынужденных колебаний в контуре (233). Установившиеся колебания в контуре (233). Резонансный контур (234). Резонансные кри­вые (235). Энергетические превращения при вынужденных колебаниях (236). Поглощаемая мощность (237).

§ 27. Незатухающие электромагнитные колебания     .............................................      239

Автоколебания (241). Механическая модель автоколебательной системы (240). Фазовая траектория (241). Амплитуда установившихся автоколеба­ний (242). Устойчивость автоколебаний (242). Предельный цикл (242). Электромагнитные автоколебания (243). Параметрический резонанс (243). Порог параметрического резонанса (244). Параметрический резонанс и вынужденные колебания (244). Релаксационные колебания (246).

§ 28. Электромагнитные волны.................................................................................      248

Предсказание электромагнитных волн (248). Открытый вибратор (248). Электрическое и магнитное поля вибратора (250). Опыты Герца (250). Механизм излучения электромагнитных волн (251). Излучение осцилли­рующего заряда (254). Энергия электромагнитной волны (254). Поток энергии электромагнитной волны (255). Поляризация электромагнитных волн (256). Импульс волны и давление света (258).

§ 29. Свойства и применения электромагнитных волн.............................................      259

Диапазоны радиоволн (260). Распространение радиоволн (260). Поле сфе­рической волны (260). Принцип радиосвязи (262). Амплитудная модуля­ция (263). Частотный спектр модулированного сигнала (264). Реальность боковых частот (264). Детектирование (265). Радиосвязь (266). Полоса пропускания и избирательность (266). Различные представления модули­рованного колебания (267). Пример из акустики (268).

VI. ОПТИКА..............................................................................................................      269

§ 30. Свет как электромагнитные волны. Интерференция........................................      269

Видимый свет и оптический диапазон (269). Когерентные и некогерентные волны (269). Интерференция света (270). Схема Юнга (271). Интерфе­ренционные полосы (272). Зеркала Френеля (273). Интерферометр Май-кельсона (275).

§31. Дифракция света    ............................................................................................      276

Принцип Гюйгенса—Френеля (276). Зоны Френеля (277). Дифракция Френеля на круглом отверстии (278). Дифракция Френеля на круглом диске. Пятно Араго—Пуассона (279). Расстояния, на которых сказывает­ся дифракция (280). Дифракция Фраунгофера (280).

§ 32. Спектральные приборы. Дифракционная решетка...........................................      284

Разложение излучения в спектр (284). Дифракция света на решетке (285). Главные максимумы (285). Распределение дифрагировавшего света по максимумам разных порядков (287). Разрешающая способность решетки (288). Щели конечной ширины в опыте Юнга (289).

§ 33. Протяженные источники света.........................................................................      291

Роль дифракции в телескопе (292). Разрешение телескопа (293). Звездный интерферометр (294).

§ 34. Интерференция немонохроматического света     ...........................................      298

Простейшая модель немонохроматического источника (298). Картина от двух близких спектральных линий (298). Опыты с квазимонохроматиче­ским светом (299). Длина и время когерентности (300). Время когерент­ности и ширина спектра (301).

§ 35. Физические принципы голографии..................................................................      303

Зонная пластинка (304). Фокусирующее действие зонной пластинки (304). Голограмма точечного источника света (305). Голограмма сложного объекта (306).

Книга 3.  ОГЛАВЛЕНИЕ

I. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ    .................................................................................        9

§ 1.    Принцип относительности..............................................................................      9

Равноправие инерциальных систем отсчета (10). Понятие события (10). Классические представления о времени и пространстве (11). Преобразова­ния Галилея (11). Принцип относительности и электродинамика (11). Отказ от классических представлений (12). Постулаты теории относительности (13). Второй постулат и законы механики (14).

§ 2.    Релятивистская кинематика.......................................................................... 15

Процедуры измерений (15). Одновременность событий и синхронизация часов (16). Измерение расстояний (17). Относительность одновременности событий (17). Относительность промежутков времени (18). Относительность пространственных расстояний (20). Классический предел (21).

§ 3.   Преобразования Лоренца     ............................................................................ 22

Преобразования Лоренца. Интервал между событиями (23). Инвариантность интервала (24). Классификация интервалов (24). Закон преобразования скорости (25). Аберрация света (27).

§ 4.    Релятивистская динамика    .......................................................................... 28

Импульс и энергия (28). Релятивистская масса (29). Энергия покоя (29). Кинетическая энергия (29). Пропорциональность массы и энергии (30). Эквивалентность энергии и массы (31). О законе сохранения массы (32). Масса покоя и квантовые закономерности (32). Вывод выражения для им­пульса (33). Вывод выражения для энергии (36).

§ 5.    Примеры релятивистского движения частиц     ......................................... 37

Связь энергии и импульса (38). Движение под действием постоянной силы (38). Движение в магнитном поле (39). Ускоритель на встречных пучках (39).

II. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ..............................................................      44

§ 6.    Световые кванты    ........................................................................................ 44

Фотоэлектрический эффект (44). Экспериментальные закономерности фо­тоэффекта (45). Кинетическая энергия фотоэлектронов (45). Соотношение Планка (46). Уравнение Эйнштейна (47). Корпускулярные и волновые свойства света (47). Невозможность классического объяснения фотоэффекта (48). Двойственная природа света (49). Фотоны (49). Эффект Комптона (50). Законы сохранения в эффекте Комптона (50). Дискретный характер взаимодействия света с электронами (52). Корпускулярное объяснение эф­фекта Доплера (52).

§ 7.    Границы применимости классической физики    ......................................... 54

Соотношения неопределенностей. Дифракция электронов (54). Зарождение квантовой теории (54). Абстракции, лежащие в основе классической физики (55). О классическом детерминизме (56). Соотношения неопределенностей Гейзенберга (56). Иллюстрация соотношения неопределенностей (57). Гра­ницы применимости классических представлений (59).

§ 8.    Свет — частицы или волны?     .................................................................... 61

Корпускулярно-волновой дуализм (61). Частицы и волны в классической физике (62). Мысленный опыт, снимающий логические противоречия (62). Фотон — квантовый объект (65). Волны де Бройля (66). Волновые свойства микрочастиц (67). Еще о границах классического описания (67).

§ 9.    Законы движения в квантовой физике.......................................................... 69

Роль средств наблюдения в квантовой физике (70). Вероятность в классиче­ской и квантовой физике (70). Описание состояния системы в квантовой физике (71). Принцип соответствия (72).

III. АТОМЫ. МОЛЕКУЛЫ. КРИСТАЛЛЫ............................................................................      74

§ 10. Строение атома................................................................................................ 74

Томсоновская модель атома (74). Опыты Резерфорда (74). Рассеяние на большие углы (75). Открытие атомного ядра (75). Планетарная модель атома (76). Постулаты Бора (76). Правило квантования (77). Уровни энер­гии атома водорода (78). Спектральные серии (78). Атом Бора и принцип соответствия (79). Современные представления о строении атома водорода (80). Постоянная тонкой структуры (81). Атомы с несколькими электронами (82). Принцип Паули (83). Многоэлектронные атомы (83).

§11. Измерения в атомной физике........................................................................... 85

Опыты Дж.Томсона (85). Опыты Х.Буша (86). Опыты Р.Милликена (86). Дискретность электрического заряда (87). «Взвешивание» электрона (88). Массы атомов и молекул (88). Принцип действия масс-спектрографа (89). Селектор скоростей ионов (90). Масс-спектрометр с поперечной фокусиров­кой (90). Разделение изотопов (91). Электронная оптика (91). Разрешающая способность (92). Атомная единица массы (92). Точные измерения атомных масс (93). Количество вещества. Постоянная Авогадро (94). Молярная масса (95). Размеры атомов и молекул (95).

§ 12. Молекулы     ..................................................................................................... 97

Химические силы и физика (97). Ионная связь между атомами (98). Кова-лентная связь (99). Взаимодействие атомов в молекуле (100). Колебания атомов в молекуле (101). Энергия химических превращений (101). Взаимо­действие между молекулами (102). Модельные потенциалы (103). Молекула в химии и в физике (104).

§ 13. Кристаллы......................................................................................................... 105

Монокристаллы и поликристаллы (106). Геометрия кристаллов (106). Сим­метрия кристаллической решетки (107). Кристаллические системы и классы (107). Симметрия и физические свойства (108). Молекулярные кристаллы (108). Ионные кристаллы (109). Ковалентные кристаллы (ПО). Металличе­ские кристаллы (111). Водородная связь (112).

IV.  ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ.................................................................................... 114

§ 14. Основные понятия термодинамики    ........................................................... 114

Термодинамическая система (115). Внешние и внутренние параметры (116). Состояние термодинамической системы (116). Термодинамический процесс (116). Стационарные и равновесные состояния (117). Время релаксации и локальное равновесие (117). Закон сохранения и превращения энергии в термодинамике (117). Внутренняя энергия (118). Температура (119). Изме­рение температуры. Термометр (119). Эмпирическая температурная шкала (120). Высокие и низкие температуры (120). Изолированная система и термодинамическое равновесие (121). Уравнение состояния (121).

§ 15. Уравнение состояния газа    ............................................................................ 122

Еаз в сосуде — простая термодинамическая система (123). Изопроцессы (123). Закон Бойля—Мариотта (123). Закон Шарля (124). Закон Гей-Люссака (125). Тазовый термометр (125). Шкала Кельвина (125). Уравнение состояния газа (126). Уравнение Менделеева—Клапейрона (127). Идеальный газ (127).

§ 16. Первый закон термодинамики........................................................................ 131

Функция состояния (131). Внутренняя энергия как функция состояния (131). Работа и теплота как формы изменения внутренней энергии (131). Работа в термодинамике (132). Адиабатические процессы (133). Работа внешних электрических сил (133). Теплота (134). Первый закон термодинамики (134). Квазистатические процессы на p-F-диаграмме (135). Теплоемкость (136). Изохорический процесс (136). Изобарический процесс (136). Адиабатический процесс (137). Изотермический процесс (137). Тепловой двигатель (138). Цикл тепловой машины (139). КПД тепловой машины (139).

§ 17. Примеры применения первого закона термодинамики    ........................... 140

Энергетический баланс (141). Теплота и внутренняя энергия (141). Теплота и работа (141). Пример применения первого закона термодинамики (141). Еще один пример применения первого закона термодинамики (142). Змеевик как тепловая машина (144). Измерение теплоемкости газа (145).

§ 18. Второй закон термодинамики     .................................................................... 147

Направление тепловых процессов (148). Неравноценность разных видов энергии (148). Обратимые и необратимые процессы (149). Различные фор­мулировки второго закона термодинамики (150). Эквивалентность форму­лировок Клаузиуса и Томсона (150). Принцип Каратеодори (152). Условия получения максимальной работы (154).

§ 19. Методы термодинамики и их применения     ............................................... 159

КПД всех обратимых тепловых машин одинаков (159). Работа идеального газа в изотермическом процессе (160). Вывод уравнения адиабаты (161). КПД цикла Карно (162). Неравенство Клаузиуса (163). Энтропия как функ­ция состояния (163). Объединенное уравнение первого и второго законов (165). Свободная энергия (165). Термодинамика диэлектриков и магнетиков (166). Зависимость внутренней энергии от объема (168).

V.  ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ................................................. 170

§ 20. Экспериментальные основания статистической механики     ................... 170

Тепловое движение молекул (170). Наблюдение броуновского движения (171). Закономерности броуновского движения (171). Зависимость среднего

перемещения от времени (172). Эксперимент и статистическая механика (173). Постановка задачи в статистической механике (174). Статистическая механика и термодинамика (175).

§ 21. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа     ............................ 176

Физическая модель газа (176). Вывод основного уравнения кинетической теории идеального газа (176). Столкновение молекулы со стенкой (177). О роли столкновений молекул (177). Суммирование по всем молекулам (177). Среднее значение квадрата скорости (178). Идеальный газ в стати­стической механике и термодинамике (178). Физический смысл температу­ры (179). Равнораспределение энергии по степеням свободы (180). Давление газа и температура (180). Смеси различных газов (180). О микроскопиче­ских моделях (181). Другой вывод основного уравнения (181). Еще раз о роли столкновений (183). Еще один вывод основного уравнения (183). О характере столкновения со стенкой (185).

§22. Статистические распределения    .................................................................. 186

Законы хаоса (186). Распределение молекул по высоте (187). Барометриче­ская формула (188). Распределение Больцмана (189). Распределение по проекции скорости (189). Функция распределения (189). Нормировка функции распределения (190). Распределение по трем проекциям скорости (190). Распределение по модулю скорости (191). Зависимость распределе­ния по скоростям от температуры (192). Экспериментальная кривая распре­деления Максвелла (192). Вычисление средних значений (193).

§ 23. Тепловое равновесие в статистической механике    ................................... 195

Флуктуации макроскопических параметров (195). Пространственное рас­пределение молекул (196). Вероятности распределений молекул по полови­нам сосуда (196). Вероятность равномерного распределения (198). Общие закономерности флуктуации (199). Статистический подход (200). Равные вероятности микросостояний (200). Статистический вес макросостояния (200). Энтропия и температура (201). Задача о расширении газа в пустоту (202). Распределение Гиббса (203).

§ 24. Статистическая природа необратимости тепловых процессов     ............ 205

Гипотетический вечный двигатель (205). О необратимых процессах (206). Не­обратимые процессы и разрушение порядка (207). Флуктуации как отклоне­ния от второго закона термодинамики (207). Статистическая гипотеза (208).

§ 25. Газы, жидкости, фазовые переходы............................................................... 209

Фазы и компоненты термодинамической системы (209). Фазовые превра­щения (210). Равновесие фаз (210). Испарение и конденсация (210). Дав­ление насыщенного пара (211). Кипение (211). Центры парообразования (213). Перегретая жидкость (213). Критическая температура (213). Разли­чие между газом и паром (214). Теплота испарения и конденсации (214). Влажность воздуха (214). Измерение влажности воздуха (215). Поверх­ностное натяжение (215). Сила поверхностного натяжения (216). Поверх­ностная энергия (216). Смачивание (217). Капиллярные явления (218). Капиллярное давление (218). Капиллярные волны (219).

§26. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса............................................... 220

О моделях реального газа (221). Модель твердых шаров (221). Модель Ван-дер-Ваальса (222). Учет размеров молекул (222). Учет взаимодействия между мо­лекулами (222). Феноменологический характер уравнения Ван-дер-Ваальса (224). Изотермы Ван-дер-Ваальса (224). Экспериментальные изотермы Энд-рюса (224). Метастабильные состояния (226). Абсолютно неустойчивые состо­яния (227). Критическое состояние вещества (227).

§ 27. Фазовые переходы    ....................................................................................... 229

Диаграмма состояний (229). Кривая равновесия пар—жидкость (229). Пе­реход пар—жидкость (230). Изохорический переход пар—жидкость (231). Наблюдение критического состояния (232). Кривая равновесия жидкой и твердой фаз (232). Тройная точка (233). Квантовые жидкости (233). Испа­рение твердого тела (234). Правило фаз Гиббса (234).

VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ.............................................................................................. 236

§ 28. Излучение света атомами............................................................................... 236

Размер атома и длина волны (236). Спонтанное излучение (237). Классиче­ская модель спонтанного излучения (237). Время жизни возбужденного атома (239). Ширина спектральных линий (240). Ширина линий и соотно­шение неопределенностей (240). Уширение спектральных линий из-за стол­кновений (240). Доплеровское уширение спектральных линий (241).

§ 29. Излучение света нагретыми телами............................................................. 242

Тепловое излучение (242). Спектральный состав теплового излучения (243). Излучение как газ фотонов (243). Зависимость плотности энергии от темпе­ратуры (245). Температура поверхности Земли (246).

§ 30. Вынужденное излучение.Квантовые усилители и генераторы света  .  . 247

Вероятность спонтанного перехода и время жизни (247). Вероятности вы­нужденных переходов (249). Мазеры и лазеры (250). Когерентность лазер­ного излучения (250). Усиление света активной средой (250). Методы со­здания активной среды (252). Резонаторы лазера (252). Формирование когерентного излучения (253). Спектр лазерного излучения (253).

§ 31. Электрический ток в газах.............................................................................. 255

Газовый разряд (255). Несамостоятельный разряд (255). Ионизация и реком­бинация (256). Несамостоятельная проводимость (257). Подвижность элект­ронов и ионов (257). Квазинейтральность (258). Плотность тока при несамо­стоятельном разряде (258). Закон Ома (259). Ток насыщения (259). Экспери­ментальное изучение газового разряда (259). Самостоятельный разряд (260). Ионизация электронным ударом (260). Эмиссия электронов из катода (261). Тлеющий разряд (262). Коронный разряд (262). Электрическая дуга (263). Опыты Франка и Герца (263). Дискретность уровней энергии атома (264).

§ 32. Электрический ток в жидкостях..................................................................... 265

Электролиты (266). Электролитическая диссоциация (266). Необычные электролиты (267). Ионная проводимость (267). Электролиз (268). Законы Фарадея (268). Законы Фарадея и элементарный заряд (269). Химические источники тока (269). Ток в цепи с гальваническим элементом (270). Потенциал в цепи с гальваническим элементом (271). Аккумуляторы (272). Применения электролиза (273).

§ 33. Плазма............................................................................................................... 274

Коллективное движение частиц в плазме (274). Квазинейтральность плазмы (275). Плазменные колебания (275). Экранировка кулоновского взаимодей­ствия (276). Пространственные масштабы в плазме (277). Пространственная