Лебедев, Я.Д

Я.Д. Лебедев

ФИЗИКА

Часть 1

Механика, колебания и волны,

молекулярная физика, электростатика

Утверждено редакционно-издательским советом

в качестве учебного пособия

Вологда

УДК 53(075.8)

ББК 22.33я73

Л 33

Рецензенты:

кафедра кристаллографии и экспериментальной физики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского

доктор педагогических наук, профессор Вятского
государственного гуманитарного университета (г. Киров),
член-корреспондент РАО, Ю.А. Сауров;

доктор философских наук, профессор кафедры физики Донского
государственного технического университета, Учёный секретарь
Ростовского Физического Общества Л.А. Минасян

Лебедев, Я.Д.

Л 33 Физика: учебное пособие в 3-х ч. Часть 1. Механика, колебания
и волны, молекулярная физика, электростатика/ Я.Д. Лебедев;
Мин-во обр. и науки РФ; Вологод. гос. ун-т. – Вологда: ВоГУ,
2015. – 144 с.

ISBN 978–5–87851–595–5

ISBN 978–5–87851–596–2 (Ч. 1)

Пособие содержит материалы: по основам механики системы материальных точек и твёрдого тела; колебаниям и волнам; молекулярной физике и электростатике.

Содержание направлено на ознакомление студентов с основными идеями и методами физики. Это возможно через формирование у студентов понимания знакового языка и на его основе приобретение навыков построения моделей реальности; кодирование содержания курса через символический язык позволяет перейти на язык математики и приобрести навыки владения преобразованием содержания курса физики и математических действий и уметь получать оценочный результат.

Предназначено для студентов направлений бакалавриата 15.03.01, 15.03.02, 15.03.04, 15.03.05 и может быть использовано студентами других технических направлений.

УДК 53(075.8)

ББК 22.33я73

ISBN 978–5–87851–595–5 © ФГБОУ ВПО «Вологодский

ISBN 978–5–87851–596–2 (Ч. 1) государственный университет», 2015

© Лебедев Я.Д., 2015

оглавление

Оглавление. 3

Предисловие. 5

1. Динамика системы частиц. 6

1.1. Моделирование в динамике материальной точки. 6

1.2. Пространственные и временные отношения, их объективные
характеристики. 8

1.3. Характеристики прямолинейного движения. Понятие о мире
событий и состоянии частицы. 11

1.4. Принцип инерции. Импульс как характеристика состояния
частицы. 14

1.5. Центр масс системы частиц. Движение центра масс. 17

1.6. Уравнение движения тела переменной массы. 20

1.7. Неинерциальные системы отсчёта. Сила инерции. 22

2. Работа и энергия. Всемирное тяготение. 26

2.1. Характеристики несвободной частицы. К вопросу о понятии
силы в динамике. 26

2.2. Понятие работы в механике. Мощность. Кинетическая энергия. 29

2.3. Потенциальная энергия как характеристика внешнего воздействия. 31

2.4. Механическая энергия. Закон сохранения энергии. 32

3. Механика твёрдого тела. 36

3.1. Момент импульса частицы. Понятие момента инерции. 36

3.2. Кинетическая энергия вращающегося тела. 38

3.3. Вычисление момента инерции для простейших тел. 42

3.4. Основное уравнение вращения. 45

3.5. Закон сохранения момента импульса. 49

4. Элементы теории относительности. 51

4.1. Преобразования Галилея. 51

4.2. Принцип относительности и предельная скорость движения. 53

4.3. Относительность одновременности. 54

4.4. Относительность длины отрезка. 56

4.5. Преобразования Лоренца. 57

4.6. Пространственно-временной интервал как объективная
характеристика мира событий. 59

4.7. Релятивистский импульс и релятивистская энергия. 61

5. Колебательное движение. 65

5.1. Сложение однонаправленных колебаний. 65

5.2. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. 69

5.3. Затухающие колебания. 72

5.4. Вынужденные колебания. 78

6. ВОЛНовЫе процессы.. 82

6.1. К вопросу о понятии кристалла. 83

6.2. Понятие волны. Уравнение плоской волны. Волновое уравнение. 87

6.3. Плотность энергии в бегущей упругой волне. 92

6.4. Интерференция волн. Стоячие волны. 97

7. Элементы кинетической теории газов. 101

7.1. Распределение молекул газа по скоростям. 101

7.2. Средняя длина свободного пробега молекул. 104

7.3. Уравнение переноса в газах. Диффузия. 107

7.4. Уравнение переноса в газах. Теплопроводность. 110

7.5. Уравнение переноса. Вязкость газов. 111

8. Реальные газы.. 114

8.1. Реальный газ малой плотности. Понятие об уравнении
Ван-Дер-Ваальса. 114

8.2. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние вещества. 119

8.3. Фазы. Фазовые диаграммы. Тройная точка. 122

8.4. Тепловые характеристики твёрдых тел. 125

9. Электростатика. 128

9.1. Понятие об электрическом поле. 128

9.2. Циркуляция электрического поля неподвижных зарядов. Электрический потенциал. 131

9.3. Поток вектора напряжённости. Закон Гаусса. Графическое отображение электрического поля. 134

9.4. Применение закона Гаусса для расчёта электрического
поля системы проводников. 138

9.5. Электрическое поле системы проводников. 141

Библиографический список. 144

Предисловие

Курс общей физики на факультете производственного менеджмента и инновационных технологий состоит из трёх частей и изучается со второго по четвёртый семестр. Первая часть курса состоит из 18 часов лекций, 18 часов практических занятий и 18 часов лабораторного практикума. «Учебное пособие по физике. Часть 1» предназначено для студентов факультета с целью оказания помощи в изучении содержания первой части общего курса физики. Такая необходимость возникла потому, что студенты технического вуза не владеют многими элементами знаний из математики, а вместе с этим слабо ориентируются в математических преобразованиях курса физики. Причина здесь кроется не только в учащихся, но и в сформированной государством системе образования, что и подвигло автора к таким действиям. Не последнюю роль здесь сыграло и то, что существующие учебные пособия современное студенчество читать не только не хочет, но и не может. В связи с этим основная задача предлагаемого пособия, убедить студента в том, что он всё-таки может научиться читать техническую литературу и может производить не только простейшие математические преобразования, но и использовать в своей практике элементы математики высшей школы с целью получения оценочного результата. Естественно, при некотором напряжении с его стороны.

Читать техническую литературу нелегко. Человек, являясь универсальным инструментом, созданным Реальностью для очевидных целей, вынужден отражать её, Реальность, в знаках (словах), образах, символах и действиях. Всё это проявляется в концептуальном аппарате науки и заканчивается воздействием на Реальность. Физика не исключение, а математический аппарат, являющийся её языком, позволяет получать количественные оценки, заканчивающиеся преобразованием окружающей реальности. Причём не только с грубой материей.

Поскольку физика является прародительницей не только новых наук, но и новых отраслей производства, естественно желание освоить «языки» представления этого знания. «Учебное пособие. Часть 1» направлено на то, чтобы помочь студентам в освоении этих языков представления знания – языков мышления человека через содержание классической механики и границ её применимости, а также через статистические закономерности.

В пособие включены элементы содержания: классической механики системы материальных точек, статистических закономерностей, фазовых переходов и электростатики. Включение последнего раздела обусловлено тем, чтобы «облегчить» объём содержания второй части курса физики, что, в свою очередь, позволит усилить содержание третей части основного курса. Выбор материала позволяет надеяться на приобретение навыков работы с основами дифференциально-интегрального исчисления и его понимания. На лекциях поднимаются вопросы, способствующие пониманию реализации обозначенных желаний; их практическая реализация осуществляется на семинарских занятиях по решению задач. Всё это должно подкрепляться самостоятельной работой студента над домашними заданиями по решению задач. Домашние задания содержат методическое обеспечение, направленное на оказание помощи в понимании условия задачи и нахождения возможных путей её решения, естественно, при использовании упомянутых выше языков мышления.