Физика

Аннотация

Значение физики в формировании научного мировоззрения определяется ее непреходящей ролью лидера современного естествознания. Физика задает стиль научного мышления, отличающийся высоким совершенством и сбалансированностью качественного и количественного описания явлений природы. Общепризнанно, что степень развития той или иной области других естественных наук (химии, биологии, геологии и т. д.) оценивается тем, насколько близко им удается подойти к уровню, характерному для физики.

Физика занимает особое место среди всех естественных наук, так как она изучает наиболее фундаментальные и универсальные закономерности взаимодействий частиц и полей, лежащие в основе всех других явлений — химических, биологических, астрономических, геологических и др. Установленные в физике закономерности обладают наибольшей общностью и в определенном смысле являются окончательными: законы Ньютона, уравнения Максвелла, уравнение Шредингера всегда останутся справедливыми — каждые в своей области, — так как любая новая физическая теория сводится к прежней в той области эмпирического знания, где старая теория выдержала проверку экспериментом.

В данном курсе лекций, предназначенном для студентов факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова, изложены теоретические основы общей физики. На упомянутом факультете курс физики студенты проходят за короткий срок (один учебный год) при небольшом количестве учебных часов (около 60 лекционных и 40 лабораторно-практических часов). Математическая подготовка студентов определяется очень кратким курсом высшей математики, заканчивающимся на первом курсе. В связи с этим предлагаемый курс лекций написан в небольшом объеме при минимальном использовании аппарата высшей математики, не выходящего за пределы табличных формул простейших производных и интегралов. Выводы многих физических закономерностей даются в упрощенном виде; в ряде случаев эти выводы носят характер качественно-теоретических обоснований.

Последовательность изложения курса общей физики является традиционной. Курс лекций разбит на две части, соответствующие осеннему и весеннему семестру. В первой части дано систематическое изложение физических основ классической механики, механических колебаний и волн, а также рассмотрены основы молекулярной физики и термодинамики. Во второй части изучаются электростатика, постоянный электрический ток и электромагнетизм. В конце несколько лекций посвящено элементам волновой оптики — интерференции, дифракции, поляризации.

Курс является компактным, но при этом дает цельное представление об основных законах и понятиях современной физики, их взаимосвязи и происхождении. Каждая лекция является законченным тематическим разделом, при этом большинство лекций снабжены примерами, позволяющими студентам лучше усвоить теоретический материал и помочь подготовиться к семинарским занятиям.

Программа курса

Механика

Задача кинематики. Материальная точка. Системы отсчета, радиус-вектор. Траектория и способы задания траектории. Путь и перемещение.
Скорость. Ускорение. Прямолинейноe движение. Равноускоренное и равнозамедленное движения. Путь при равнопеременном движении.
Ускорение при криволинейном движении: разложение на нормальную и тангенциальную составляющие. Кинематика движения по окружности. Кинематика криволинейного движения в процессе свободного падения.
Исходные положения механики Ньютона. 1-й закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея для координат и скоростей.
Масса. Импульс. 2-й закон Ньютона как дифференциальное уравнение движения. Силы в ньютоновской механике. Виды взаимодействий. 3-й закон Ньютона. Аддитивность и закон сохранения массы.
Силы в ньютоновской механике. Силы упругости, силы реакции опоры. Силы сухого (покоя и скольжения) и жидкого трения.
Понятие работы. Работа упругой силы и однородной силы тяжести. Мощность.
Консервативные силы и потенциальная энергия. Вычисление потенциальной энергии для силы тяготения и упругих сил.
Кинетическая энергия. Теорема о кинетической энергии (теорема Кёнига).
Законы изменения и сохранения механической энергии и импульса. Абсолютно упругий и абсолютно неупругий удар.
Гравитационные силы: закон всемирного тяготения. Законы Кеплера. Инертная и гравитационная массы. Вес тела. 1-я и 2-я космические скорости. Движение тел с переменной массой.
Неинерциальные системы отсчета. Основное уравнение динамики в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. Принцип эквивалентности. Центробежная и кориолисова силы инерции, примеры их проявления.
Абсолютно твердое тело. Число степеней свободы твердого тела. Классификация движений твердого тела. Плоское движение. Мгновенная ось вращения. Центр масс. Теорема о движении центра масс твердого тела.
Моменты силы и импульса относительно точки и оси. Законы изменения и сохранения момента импульса. Связь между моментом импульса вращающегося твердого тела и угловой скоростью.
Момент инерции тела относительно оси, примеры его вычисления. Теорема Гюйгенса — Штейнера о параллельных осях (без вывода).
Уравнение движения для вращения тела относительно оси (уравнение моментов). Примеры проявления закона сохранения момента импульса в опытах с вращающимися телами.
Кинетическая энергия вращающегося тела. Динамика плоского движения. Кинетическая энергия тела при плоском движении. Работа внешних сил при вращении твердого тела.
Понятие о колебаниях. Формула и характеристики гармонические колебания (период, частота, круговая частота, амплитуда, фаза).
Свободные гармонические колебания (уравнение движения и его решение) для пружинного маятника.
Свободные гармонические колебания (уравнение движения и его решение) для физического и математического маятников.
Векторная диаграмма гармонического колебания. Сложение двух гармонических колебаний: сонаправленных с одинаковыми и близкими частотами (биения) и взаимно перпендикулярных с одинаковыми и кратными частотами (фигуры Лиссажу).
Затухающие колебания: уравнение движения и формула (без вывода). Коэффициент, декремент и логарифмический декремент затухания. Апериодический режим.
Вынужденные колебания (уравнение движения и его решение). Явление резонанса для вынужденных колебаний. Амплитудные резонансные кривые.
Понятие о бегущей волне. Формула волны, распространяющейся вдоль оси Ох. Дифференциальное волновое уравнение (без вывода).
Фронт волны, волновые поверхности, лучи. Формулы гармонической (монохроматической) плоской и сферической волн.
Длина волны и волновое число. Кинематика стоячей волны.
Вывод дифференциального волнового уравнения: для продольной упругой волны в тонком стержне. Звуковые волны.
Общие свойства жидкостей и газов. Линии и трубки тока. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Ламинарное и турбулентное течения.

Молекулярная физика

Способы изучения свойств системы многих частиц: термодинамический и статистический подходы.
Модель идеального газа. Понятие о состоянии термодинамической системы. Процесс. Внутренняя энергия системы. Первое начало термодинамики. Работа, совершаемая макросистемой.
Опытные газовые законы: законы Бойля — Мариотта, Шарля, Гей — Люсака. Уравнение состояния идеального газа.
Теплоемкость идеального газа. Политропические процессы (адиабатический, изотермический, изохорный, изобарный). Работа, совершаемая идеальным газом при этих процессах.
Основное уравнения кинетической теории идеального газа. Физический смысл температуры с точки зрения молекулярно-кинетической теории идеального газа. Гипотеза о равнораспределении энергии молекул газа по степеням свободы.
Явления переноса в газах: диффузия, вязкость (внутреннее трение) и теплопроводность. Молекулярно-кинетическая интерпретация явлений переноса.
Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики. Энтропия. Свойства энтропии. Теорема Нернста. Энтропия идеального газа. Энтропия и вероятность. Статистический смысл второго начала термодинамики.
Принципы работы тепловых машин. Сравнение коэффициентов полезного действия обратимых и необратимых машин. Цикл Карно. Первая и вторая теоремы Карно.
Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла) (без вывода). Формула Максвелла в приведенном виде. Распределение по энергиям молекул.
Распределение молекул в поле потенциальных сил (распределение Больцмана). Барометрическая формула. Объединенный закон распределения Максвелла — Больцмана.
Межмолекулярные взаимодействия. Реальные газы и жидкости. Уравнение ван дер Ваальса. Энергия ван-дер-ваальсовского газа.
Явление поверхностного натяжения. Краевые углы. Смачивание и несмачивание. Изогнутая поверхность жидкости. Формула Лапласа.

Электромагнетизм

Электрический заряд. Напряженность электрического поля. Поле точечного заряда. Принцип суперпозиции. Распределение зарядов. Геометрическое описание электрического поля. Теорема Гаусса.
Потенциал. Потенциал поля точечного заряда. Потенциал поля системы зарядов. Связь между потенциалом и напряженностью. Эквипотенциальные поверхности.
Электрический диполь. Поле диполя. Сила, действующая на диполь. Момент сил, действующих на диполь. Энергия диполя в поле.
Проводник в электростатическом поле. Поле внутри и снаружи проводника. Поле у поверхности проводника.
Электроемкость уединенного проводника. Конденсатор. Емкость плоского конденсатора.
Диэлектрики. Поле в диэлектрике. Поляризация. Связь между напряженностью поля и поляризацией. Свойства поля вектора Р. Вектор электрической индукции D. Теорема Гаусса для поля вектора D. Связь между векторами D и Е. Условия для векторов E и D на границе раздела двух однородных изотропных диэлектриков. Поле в однородном диэлектрике.
Электрическая энергия системы зарядов. Энергия уединенного проводника. Энергия конденсатора. Энергия электрического поля.
Постоянный электрический ток. Плотность тока. Уравнение непрерывности. Дифференциальная форма уравнения непрерывности. Закон Ома для однородного проводника. Закон Ома в локальной форме. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Закон Джоуля — Ленца.
Сила Лоренца. Магнитное поле равномерно движущегося заряда. Закон Био — Савара. Принцип суперпозиции для магнитного поля. Теорема Гаусса для поля В. Теорема о циркуляции вектора В. Сила Ампера. Сила взаимодействия параллельных токов. Сила, действующая на контур с током. Момент сил, действующих на контур с током. Работа при перемещении контура с током.
Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Природа электромагнитной индукции. Явление самоиндукции. Индуктивность. Взаимная индукция. Энергия магнитного поля. Магнитная энергия двух контуров с токами. Собственная и взаимная энергии.
Открытие Максвелла. Ток смещения. Уравнения Максвелла в интегральной форме. Граничные условия. Материальные уравнения. Свойства уравнений Максвелла. Электромагнитные волны. Энергия и поток энергии. Вектор Пойнтинга. Импульс электромагнитного поля.
Условие квазистационарности. Уравнение колебательного контура. Свободные незатухающие колебания. Свободные затухающие колебания. Величины, характеризующие затухание. Вынужденные электрические колебания. Векторная диаграмма. Резонансные кривые.
Переменный ток, активное и реактивное сопротивление, полное сопротивление (импеданс). Мощность, выделяемая в цепи переменного тока.

Оптика

Когерентность. Основной принцип интерференционных схем. Ширина интерференционной полосы. Распределение интенсивности. Схема Юнга. Бипризма Френеля. Бизеркала Френеля. Билинза Бийе. Интерференция света при отражении от тонких пластинок. Кольца Ньютона.
Дифракция света. Принцип Гюйгенса — Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Зоны Френеля. Спираль Френеля. Зонная пластинка.
Дифракция Фраунгофера на щели. Условие минимумов. Распределение интенсивности. Дифракционная решетка. Условие главных максимумов. Условие интерференционных минимумов. Интенсивность главных максимумов. Дифракционная решетка как спектральный прибор (угловая дисперсия, разрешающая способность).
Общие сведения о поляризации света. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Поляризация при двойном лучепреломлении. Суперпозиция поляризованных волн. Интерференция поляризованных волн. Искусственное двойное лучепреломление. Вращение направления линейной поляризации.

Литература

Б. А. Струков, Л. Г. Антошина, С. В. Павлов. Физика. М.: Издательский центр «Академия». 2011. 400 с.
И. В. Савельев. Курс общей физики в 3-х томах. М.: Наука. 1982.
Д. В. Белов. Механика. М.: Изд-во МГУ. 1998. 143 с.
Д. В. Белов. Электромагнетизм и волновая оптика. М.: Изд-во МГУ. 1994. 200 с.
Т. И. Трофимова. Курс физики. М.: Издательский центр «Академия». 2008. 447 с.
Е. И. Бутиков, А. С. Кондратьев. Физика: учеб. пособие: в 3 кн. М.: Физматлит. 2004.

Другие лекции, читаемые на этом факультете

Лекции