Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................15

Часть 1. МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА................17

1. Кинематика материальной точки............................................17

1.1. Механика и ее структура. Материальная точка и твердое тело.................17

1.2. Перемещение и пройденный путь..................................19

1.3. Скорость, ускорение......................................................20

1.4. Тангенциальное, нормальное и полное ускорения........22

2. Динамика материальной точки...............................................23

2.1. Первый закон Ньютона..................................................23

2.2. Второй закон Ньютона. Масса. Сила.............................24

2.3. Третий закон Ньютона...................................................26

2.4. Закон сохранения импульса. Центр масс (инерции). Движение центра инерции.......27

3. Работа и энергия........................... ..........................................29

3.1. Работа силы. Мощность.................................................29

3.2. Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Консервативные и диссипативные системы....................31

3.3. Связь силы и потенциальной энергии. Условие равновесия......................32

3.4. Закон сохранения энергии.............................................36

3.5. Упругое и неупругое соударение тел.............................38

4. Кинематика и динамика вращательного движения

твердого тела............................ ...............................................43

4.1. Кинематика твердого тела. Угловое перемещение, угловая скорость, угловое ускорение............................43

4.2. Работа при вращательном движении. Момент силы.....46

4.3. Кинетическая энергия при вращательном движении. Момент инерции.....47

4.4. Теорема Штейнера.........................................................50

4.5. Уравнение динамики вращательного движения............52

4.6. Закон сохранения момента импульса.............................52

4.7. Аналогия между поступательным и вращательным движением.....................54

5. Гармонические и затухающие колебания...............................55

5.1. Гармонические колебания. Свободные колебания системы.......................55

5.2. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний и его решение....56

5.3. Затухающие колебания. Коэффициент затухания, декремент, логарифмический декремент, время релаксации........................59

6. Сложение колебаний. Вынужденные колебания...................62

6.1. Представления колебаний..............................................62

6.2. Сложение колебаний одинаковой частоты и одинакового направления.......63

6.3. Сложение колебаний близких частот. Биения................64

6.4. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу..........65

6.5. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Период и амплитуда вынужденных колебаний...............................................66

6.6. Резонанс. Семейство резонансных кривых....................70

7. Волны.....................................................................................72

7.1. Упругие волны. Продольные и поперечные волны.......72

7.2. Уравнение плоской волны. Фазовая скорость...............73

7.3. Волновое уравнение упругой волны и его решение......75

7.4. Плотность энергии упругой волны................................78

7.5. Перенос энергии бегущей волной. Вектор Умова.........80

7.6. Принцип суперпозиции при сложении волн. Стоячая волна. Колебания струны....81

8. Специальная теория относительности...................................83

8.1. Преобразования Галилея и постулаты специальной теории относительности..........83

8.2. Преобразования Лоренца...............................................85

8.3. Следствия СТО: замедление времени и сокращение длины......................88

8.4. Импульс тела и основное уравнение релятивистской динамики..............90

8.5. Кинетическая и полная энергии в СТО. Энергия покоя. Релятивистский инвариант..................................92

9. Молекулярно-кинетическая теория. Принципы классической статистической физики....................................94

9.1. Физические основы молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа...............94

9.2. Вывод основного уравнения молекулярно-кинетической теории.................96

9.3. Элементы классической статистической физики. Функции распределения и их роль....98

10. Распределение Максвелла и характерные скорости молекул. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.....................................102

10.1. Распределение Максвелла по составляющим скорости.............................102

10.2. Распределение Максвелла по модулю скорости. Нахождение наиболее вероятной, средней, среднеквадратичной скоростей..................................105

10.3. Барометрическая формула.........................................108

10.4. Распределение Больцмана..........................................109

11. Элементы физической кинетики. Явления переноса в газах .......................111

11.1. Средняя длина пробега и частота столкновений молекул..........................111

11.2. Общий вид уравнения переноса.................................114

11.3. Диффузия и коэффициент диффузии.........................117

11.4. Теплопроводность и коэффициент теплопроводности.....................118

11.5. Вязкость и коэффициент вязкости.............................120

11.6. Броуновское движение и диффузия...........................121

11.7. Поглощение и рассеяние частиц. Закон Бугера-Ламберта. Транспортировка частиц через среды........124

12. Первое начало термодинамики...........................................128

12.1. Первое начало термодинамики и закон сохранения энергии................128

12.2. Работа и теплота. Работа, совершаемая газом  в различных изопроцессах.................129

12.3. Внутренняя энергия идеального газа. Степени свободы молекул. Закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы............131

12.4. Теплоемкость идеального газа при постоянном объеме и давлении. Уравнение Майера......................133

12.5. Адиабатный процесс. Вывод уравнения адиабаты .... 136

13. Второе начало термодинамики. Энтропия.........................139

13.1. Формулировки второго начала термодинамики.........139

13.2. КПД кругового процесса............................................140

13.3. Цикл Карно. КПД идеальной тепловой машины. Теоремы Карно............142

13.4. Энтропия. Изменение энтропии в процессах идеального газа. Энтропия и термодинамическая вероятность. Формула Больцмана..............................145

14. Реальные газы. Агрегатные состояния и фазовые переходы........................148

14.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса.......................................148

14.2. Агрегатные состояния и фазовые переходы. Изотермы Ван-дер-Ваальса...150

14.3. Внутренняя энергия реального газа...........................152

Часть II. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И ВОЛНОВАЯ ОПТИКА......154

15. Закон Кулона и электрическое поле...................................154

15.1. Закон Кулона.............................................................154

15.2. Электрическое поле и электрическое смещение........156

15.3. Принцип суперпозиции электрических полей............160

15.4. Электрический диполь. Поле диполя.........................161

16. Теорема Гаусса для электрического поля..........................164

16.1. Поток вектора напряженности электрического поля и электрического смещения.......................................164

16.2. Теорема Гаусса в интегральной форме.......................165

16.3. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости и двух плоскостей.............167

16.4. Поле равномерно заряженной бесконечной нити......169

16.5. Поле равномерно заряженной сферы.........................170

16.6. Поле равномерно заряженного шара..........................170

16.7. Теорема Гаусса в дифференциальной форме.............172

17. Потенциал электростатического поля.................................173

17.1. Работа сил электростатического поля. Консервативность электростатических сил.....173

17.2. Теорема о циркуляции вектора напряженности поля. 174

17.3. Определение потенциала электростатического поля.. 175

17.4. Связь между потенциалом и напряженностью...........177

17.5. Вычисление разности потенциалов для некоторых видов полей...............179

18. Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы и энергия электростатического поля...........181

18.1. Проводники в электростатическом поле. Поле внутри и вне заряженного проводника..............181

18.2. Электрическая емкость проводника...........................183

18.3. Конденсаторы............................................................184

18.4. Энергия заряженного проводника и конденсатора. Плотность энергии электростатического поля...........187

19. Диэлектрики в электрическом поле....................................190

19.1. Поляризация диэлектриков. Полярные и неполярные диэлектрики. Свободные и связанные заряды....................................................190

19.2. Вектор поляризации, диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость......192

19.3. Теорема Гаусса для поля в диэлектрике. Явления на границе раздела двух диэлектриков. Преломление линий смещения и напряженности.......193

19.4. Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты. Явления на разломах.....196

20. Постоянный ток. Законы Ома и Джоуля-Ленца.................198

20.1. Постоянный ток. Виды тока. Сила тока. Плотность тока........................198

20.2. Закон Ома в дифференциальной форме.....................200

20.3. Закон Ома в интегральной форме. Сопротивление .... 201

20.4. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Обобщенный закон Ома.....202

20.5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах............203

21. Газовый разряд и плазма.....................................................204

21.1. Проводимость газов. Носители тока. Ионизация и рекомбинация. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды..........................204

21.2. Вольт-амперная характеристика газового разряда. Ударная ионизация...207

21.3. Типы самостоятельных газовых разрядов..................208

21.4. Понятие о плазме.......................................................212

22. Магнитное поле тока..........................................................214

22.1. Магнитное поле тока и его проявления. Вектор магнитной индукции и напряженности поля.....214

22.2. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитных полей.............218

22.3. Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля. Расчет поля соленоида и тороида... 221

22.4. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля в интегральной и дифференциальной формах.....................................224

22.5. Действие магнитного поля на токи. Закон Ампера.... 226

22.6. Действие магнитного поля на движущиеся заряды. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в однородном и неоднородном магнитном полях......227

23. Магнитное поле в веществе................................................229

23.1. Магнитный момент электронов и атомов. Намагниченность................229

23.2. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики........233

23.3. Условия на границе раздела двух магнетиков...........237

24. Электромагнитная индукция..............................................239

24.1. Основной закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Вихревое электрическое поле. Генераторы переменного тока....................................239

24.2. Самоиндукция. Индуктивность соленоида.................241

24.3. Взаимоиндукция........................................................243

24.4. Нестационарные процессы в цепи, содержащей индуктивность...........245

24.5. Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля...........247

25. Уравнения Максвелла.........................................................249

25.1. Электромагнитное поле. Ток смещения. Уравнения Максвелла в интегральной форме............249

25.2. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме 252

25.3. Закон сохранения заряда. Теорема Пойнтинга. Энергия электромагнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга..........................................256

25.4. Волновое уравнение. Решения волнового уравнения. Интенсивность электромагнитной волны.....259

25.5. Принцип работы радиоприемника. Шкала электромагнитных волн........262

26. Волновая оптика. Геометрическая оптика. Интерференция света..................264

26.1. Волновая и геометрическая оптика. Четыре закона геометрической оптики..........264

26.2. Интерференция света. Когерентность........................267

26.3. Принцип Гюйгенса — Френеля. Расчет интерференционной картины двух источников..........271

26.4. Интерференция в тонких пленках........... ...................274

27. Дифракция света......................... .........................................277

27.1. Метод зон Френеля. Дифракция на круглом отверстии и круглом диске..277

27.2. Дифракция в параллельных лучах от одной щели......281

27.3. Дифракционная решетка. Условия главных максимумов. Дисперсия и разрешающая способность решетки.................. ...............................283

27.4. Дифракция от объемных решеток..............................288

28. Поляризация света..............................................................289

28.1. Естественный и поляризованный свет. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера..........................................................289

28.2. Поляризационные приборы. Закон Малюса...............291

28.3. Двойное лучепреломление. Поляризация света в одноосных кристаллах. Построения волновых поверхностей. Призма Николя...................................293

29. Дисперсия света........................ .........................................296

29.1. Нормальная и аномальная дисперсия.........................296

29.2. Электронная теория дисперсии..................................297

29.3. Анализ результатов электронной теории дисперсии......300

Часть Ш. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА......................................................302

30. Квантовая природа света. Давление света. Фотоэффект и эффект Комптона............302

30.1. Квантовая природа света. Фотоны.............................302

30.2. Давление света...........................................................304

30.3. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна..........................306

30.4. Эффект Комптона......................................................309

31. Тепловое излучение............................................................311

31.1. Равновесное излучение. Лучеиспускательная и лучепоглощательная способность. Черное и серое тело....................................................311

31.2. Закон Кирхгофа.........................................................314

31.3. Закон Стефана-Больцмана.........................................316

31.4. Закон смещения Вина................................................316

31.5. Формула Рэлея-Джинса..............................................318

31.6. Квантовая гипотеза и закон Планка. Связь закона Планка и законов излучения абсолютно черного тела.............................................320

32. Планетарная модель атома и спектры................................322

32.1. Опыты Резерфорда. Классическая модель атома.......322

32.2. Постулаты Бора и их следствия.................................324

32.3. Дискретность энергетических уровней в атоме и происхождение линейчатых спектров. Опыты Франка и Герца...............................................326

32.4. Спектры атома водорода и водородоподобных ионов. Недостатки теории Бора...328

33. Волны де Бройля и волновая функция................................330

33.1. Гипотеза де Бройля и ее экспериментальное подтверждение....................330

33.2. Свойства волн де Бройля: фазовая и групповая скорости, дисперсия.......332

33.3. Волны де Бройля и квантовые условия Бора. Частицы, проявляющие волновые свойства...............334

33.4. Вероятность местонахождения микрочастицы. Волновая функция. Нормировка и ограничения на волновые функции. Принцип суперпозиции. Средние значения координат.....................................336

33.5. Соотношение неопределенностей для координаты и импульса.................339

33.6. Соотношение неопределенностей для времени и энергии. Принцип соответствия..............................342

34. Уравнение Шредингера......................................................345

34.1. Уравнение Шредингера для свободной частицы.......345

34.2. Общее уравнение Шредингера...................................346

34.3. Стационарное уравнение Шредингера......................347

34.4. Уравнения Шредингера в операторной форме. Оператор Гамильтона......349

34.5. Связь классической и квантовой механики. Теорема Эренфеста............350

34.6. Решение уравнения Шредингера для свободной частицы......................352

35. Потенциальный ящик и потенциальный барьер.................353

35.1. Потенциальный ящик: уравнение Шредингера, граничные условия, волновые функции, энергия и вероятность местонахождения частицы............353

35.2. Потенциальный барьер бесконечной ширины. Уравнение Шредингера и его решение для случаев E<U, E>U...............................................................357

35.3. Потенциальный барьер конечной ширины. Случаи Е>U, E<U...............363

35.4. Туннельный эффект. Коэффициенты прозрачности и отражения............365

36. Гармонический осциллятор................................................368

36.1. Потенциальная яма................... .................................368

36.2. Исходная классическая теория гармонического осциллятора.....................370

36.3. Квантовая теория гармонического осциллятора.........372

36.4. Волновые функции и энергетические уровни квантового осциллятора.....375

37. Квантовая теория водородоподобного атома......................377

37.1. Уравнение Шредингера для электрона в водородоподобном атоме........377

37.2. Квантовые числа. Возбужденные состояния электрона в водородоподобном атоме и спектры.......379

37.3. Спин электрона. Кратность вырождения уровней водородоподобных атомов.......381

37.4. 1s-состояние атома водорода.....................................382

37.5. Спин-орбитальное взаимодействие. Эффекты Зеемана и Штарка.........384

38. Квантовая теория многоэлектронных атомов....................386

38.1. Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны..386

38.2. Принцип Паули..........................................................388

38.3. Строение многоэлектронных атомов.........................389

38.4. Рентгеновские спектры..............................................391

39. Квантовая теория молекул..................................................394

39.1. Гетерополярная и гомеополярная связи. Обменное взаимодействие........394

39.2. Образование молекул.................................................395

39.3. Колебательная и вращательная энергия молекул.......397

40. Элементы физики твердого тела.........................................400

40.1. Качественное обоснование зонной теории. Адиабатное приближение. Одноэлектронное приближение. Самосогласованное поле......................400

40.2. Уравнение Шредингера для кристаллов. Теорема Блоха и  туннелирование...........402

40.3. Решение уравнения Шредингера в приближении слабой связи............403

40.4. Зоны Бриллюэна и эффективная масса электрона......406

40.5. Приближение сильной связи......................................409

40.6. Металлы, диэлектрики, полупроводники по зонной теории..................410

41. Строение атомного ядра. Радиоактивность.........................412

41.1. Заряд, масса, радиус, спин, квантовый характер ядра...............................412

41.2. Удельная энергия связи ядер разных элементов. Модели ядра..............415

41.3. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.....418

41.4. α-распад, β-распад. Нейтрино ...................................420

41.5. γ-излучение и его свойства.........................................423

41.6. Искусственная радиоактивность................................426

41.7. Регистрация и дозы радиоактивных излучений.........429

42. Современная физическая картина мира.............................431

42.1. Космические лучи......................................................431

42.2. Четыре вида фундаментальных взаимодействий........433

42.3. Элементарные и фундаментальные частицы. Кварки. 435

42.4. Эволюция Вселенной.................. ...............................437

Физические константы и величины.........................................440

Предметный указатель..............................................................441

 

(Никеров В.А. “Физика. Современный курс: Учебник” 2016)