Репетитор по физике : теория : механика; молекулярная физика; термодинамика; электромагнетизм

Абитуриент

И. Л. КАСАТКИНА

РЕПЕТИТОР
ПО ФИЗИКЕ

ТЕОРИЯ

МЕХАНИКА
МОЛЕКУЛЯРНАЯ
ФИЗИКА
ТЕРМОДИНАМИКА
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Издание шестое

РостовнаДону
«Феникс»
2011

Касаткина И.Л.
К 38
Репетитор по физике : теория : механика; молекулярная физика; термодинамика; электромагнетизм /
И.Л. Касаткина; под ред. доцента Т.В. Шкиль. —
Изд. 6е. — Ростов н/Д : Феникс, 2011. — 603 с. —
(Абитуриент).

ISBN 9785222187494

Пособие содержит теоретический материал по всему
курсу физики и ответы на всевозможные вопросы, возникающие при ее изучении.
Пособие предназначено для учащихся старших классов как с обычным, так и с углубленным изучением физики, для студентов вузов и техникумов и лиц, занимающихся самообразованием.
«Репетитор» поможет отлично подготовиться к ЕГЭ –
Единому государственному экзамену, поскольку в нем
даны ответы на всевозможные вопросы по теории. Он
незаменим при подготовке к любым контрольным, промежуточным экзаменам и тестированию.

УДК 53(075)
ББК 22.3 Я729

© Касаткина И.Л., 2011
© Оформление, ООО «Феникс», 2011

УДК 53(075)
ББК 22.3 Я729
КТК 444
         К 38

Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Ростовской области в качестве учебного пособия для студентов и учащихся
образовательных учреждений общего и профессионального образования

Рецензенты:
академик РАН В.И. Колесников,
доктор физикоматематических наук В.А. Явна

Консультант:
доктор технических наук В.В. Хуторцев

Под редакцией доцента, канд. ф.м. наук Т.В. Шкиль

ISBN 9785222187494

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дорогой друг! Ты решил хорошенько изучить физику – и правильно сделал. Ведь физика – мама всех естественных наук (о неестественных науках мы говорить не
будем – ну какие науки, они же неестественные). Конечно, математика и информатика тоже нужны. Но и они –
только язык физики, только средство, с помощью которого физика исследует окружающий мир.
Без знания физики невозможно обеспечить технический прогресс, здоровье народа и обороноспособность страны. Поэтому ее изучают в абсолютном большинстве вузов.
И соответственно, при поступлении в них необходимо сдавать экзамен по этому предмету. И в процессе — учебы
тоже – и не раз.
Если ты решил связать свое будущее с любой наукоемкой профессией, в недалеком будущем тебе предстоит сдавать ЕГЭ по физике – Единый государственный экзамен.
Чем лучше ты с ним справишься, тем больше вероятность
поступления и успешной учебы. И наоборот, чем хуже –
тем больше придется раскошелиться.
Единый государственный экзамен по физике включает в себя вопросы для проверки понимания теории предмета – не зазубривания законов и определений, а именно
понимания и умения применить их на практике. И таких
теоретических вопросов там довольно много.
Книга, которую ты держишь в руках, поможет тебе
ответить на любые вопросы экзаменаторов. В ней изложена вся теория курса физики средней школы с углубленным изучением этого предмета. Все важнейшие законы и
формулы, определения физических величин и их физического смысла выделены курсивом и проиллюстрированы множеством рисунков и графиков. Но основным достоинством этого пособия является показ качественной
стороны рассматриваемых явлений и ответ на многие возникающие при этом вопросы. Например, как будет двигаться автомобиль, если силу тяги двигателя уравновесит
сила сопротивления? Остановится? А вот и нет! В законах
Ньютона не разобрался, дружок. В каком случае архимедова сила не направлена вертикально вверх? При каком

условии мощность резистора максимальна? Ты не знаешь, что такое резистор? Почитай эту книгу. Чем отличается спектр, получаемый с помощью призмы, от спектра дифракционной решетки? В твоих учебниках нет
ответа на этот вопрос? А здесь есть.
Наше пособие предназначено для старшеклассников
любых учебных заведений – школ, колледжей, лицеев,
гимназий. Оно полезно студентам младших курсов вузов
и техникумов физикоматематического и естественнотехнического профиля – сюда включены теория и их программы. Книга написана простым, понятным даже слабым учащимся языком – было бы желание разобраться.
Пособие незаменимо для лиц, изучающих предмет индивидуально. Оно даст необходимые знания по всему курсу и поможет ликвидировать имеющиеся пробелы при
подготовке к любым контрольным и экзаменам.
Необходимым дополнением к данному пособию является двухтомник «Репетитор по физике. Решение задач», а также «Задачи по физике: подготовка к ЕГЭ и
олимпиадам» того же автора и издательства. В этих
книгах показана методика решения множества задач,
встречавшихся на экзаменах и тестировании по физике.
С их помощью ты сможешь хорошо подготовиться к предстоящим испытаниям. Желаем тебе успеха!

МЕХАНИКА

1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ
МЕХАНИКИ. МАТЕРИЯ И ЕЕ ВИДЫ.
ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО МАТЕРИИ –
ДВИЖЕНИЕ

Механика – наука о механическом движении тел и их
взаимодействии.
Предметом классической механики являются любые
тела, размеры которых несравненно больше размеров
атомов и которые движутся со скоростями, несравненно меньшими скорости света в вакууме.
В XIX столетии с развитием науки обнаружилось, что
не все явления природы укладываются в рамки классической механики. Одними из первых ограниченность
классической механики обнаружили Фарадей и Максвелл, показав ее неприменимость к электромагнитным явлениям, а затем возникшая на рубеже нынешнего столетия теория относительности окончательно доказала
неприменимость законов классической механики к телам, движущимся с околосветовыми (релятивистскими)
скоростями.
Пересмотр положений классической механики применительно к телам, движущимся с релятивистскими скоростями, т. е. скоростями, близкими к скорости света, привел к
созданию механики больших скоростей – релятивистской
механики. Однако создание новой механики не привело к
полному отрицанию механики классической. Уравнения
релятивистской механики применительно к скоростям,
малым по сравнению со скоростью света, переходят в
уравнения механики классической.
В результате развития физики атома в XX столетии
была создана квантовая механика – механика любых
объектов, в том числе и сравнимых по размеру с атомом.
Оказалось, что квантовая механика также не отрицает
полностью классическую. Ее уравнения применительно к

массам, во много раз большим массы атома, переходят в
уравнения классической механики. Следовательно, классическая механика вошла в релятивистскую и квантовую
механики как частный случай.
Основными задачами механики являются:
1) прямая задача – по известным начальным условиям и силам, действующим на тело, определить его положение в пространстве в данный момент времени;
2) обратная задача – по известным начальным условиям и положению тела в данный момент времени
определить силы, действующие на него.
Механика разделяется на три части: кинематику, динамику и статику.
Кинематика изучает движение тел без учета их
масс и действующих на них сил.
Динамика изучает движение тел с учетом их масс и
приложенных к ним сил.
Статика изучает условия равновесия тел.
Все объекты природы материальны. Все многообразие
мира можно свести к его первооснове – материи, которая
на современном этапе развития науки представляется вечной, бесконечной, несотворимой и неуничтожимой.
По современным представлениям существуют два вида
материи: вещество и поле.
Вещество состоит из частиц – молекул и атомов,
элементарных частиц – масса покоя которых не равна
нулю.
Поле состоит из частиц, масса покоя которых равна нулю.
Примером полевых частиц могут служить кванты или
фотоны электромагнитного поля. Частицы вещества и
полевые частицы взаимопревращаемы. Это значит, что
при определенных условиях частицы вещества могут превращаться в частицы поля и наоборот.
Основным свойством материи является ее движение.
Под движением материи подразумевают любые изменения, происходящие с материальными объектами. Движение материи многообразно, но в нем можно выделить отдельные его формы: механическую, электромагнитную,
внутриатомную, внутриядерную.

2. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ.
МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА. АБСОЛЮТНО
ТВЕРДОЕ ТЕЛО. ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ
И ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЯ.
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ КАК ФОРМЫ
СУЩЕСТВОВАНИЯ МАТЕРИИ

Простейшей формой движения материи является механическое движение.
Механическим движением называется изменение
взаимного положения тел в пространстве с течением
времени.
Механическое движение наглядно, поэтому механика
получила широкое развитие прежде других естественных
наук. Примерами механического движения могут служить движение небесных тел, полет космических кораблей, движение транспортных средств, движение живых
существ и т. д.
При описании механического движения разных тел
иногда можно отвлечься от некоторых, только этим телам
присущих свойств: формы, размеров, способности к деформациям и др., заменив реальные тела абстрактными,
лишенными этих свойств. Такими абстрактными телами
в механике являются материальная точка, абсолютно
твердое тело, математический маятник, идеальная жидкость. Написав уравнения движения этих абстрактных
объектов, можно применить эти уравнения к движению
разнообразных реальных тел, свойства которых близки к
свойствам абстрактных тел.
Дадим определения материальной точки и абсолютно
твердого тела.
Материальной точкой называют абстрактное тело,
имеющее массу, но лишенное линейных размеров, т. е.
длины, ширины, высоты и т. д. Иными словами, материальная точка это точка, имеющая массу.
Реальное тело можно принять за материальную точку, если его размерами можно пренебречь в условиях данной задачи. Например, для наблюдателя на старте ракета представляет собой протяженное тело, поскольку ее
размеры сравнимы с расстоянием до него. Но по мере уда8

ления ракеты с места старта ее размеры становятся все
меньше по сравнению с расстоянием до наблюдателя.
Когда размеры ракеты станут несравненно меньше этого
расстояния, ракету можно будет считать материальной
точкой и описывать ее движение с помощью уравнений
движения материальной точки.
Абсолютно твердым телом называют абстрактное
тело, которое никогда не деформируется, т. е. расстояние между двумя любыми точками этого тела не изменяется ни при каких условиях.
Реальное тело можно считать абсолютно твердым, если
в условиях данной задачи можно пренебречь изменением его размеров, формы или расположением его частей
относительно друг друга.
Механическое движение делят на поступательное и
вращательное.
Поступательным движением называют движение
твердого тела, при котором прямая, соединяющая две
его любые точки, перемещается, оставаясь все время
параллельной самой себе. При этом все точки тела
описывают одинаковые траектории и имеют одинаковые скорости и ускорения.
Примером поступательного движения может служить
полет стрелы, движение пилы и др.
Вращательным движением твердого тела называется движение, при котором все точки тела, не лежащие
на оси вращения, описывают окружности в плоскостях,
перпендикулярных оси вращения, с центрами, лежащими на этой оси.
Примером вращательного движения может служить
вращение рулевого колеса, винта самолета и др.
Очень часто эти виды движения сочетаются друг с другом. Пуля при вылете из нарезного ствола автомата движется поступательно и одновременно вращается вокруг
своей оси, что обеспечивает стабилизацию ее полета. Земной шар, участвуя в суточном вращении вокруг своей
оси, одновременно движется поступательно по орбите
вокруг Солнца.
Механическое движение тел происходит в пространстве и во времени.
Пространство и время – формы существования материи. Пространство характеризует расположение материальных объектов относительно друг друга. Время характеризует порядок следования явлений, происходящих с

материальными объектами, а также длительность этих
явлений.
Важнейшим свойством пространства и времени является их однородность. Однородность пространства означает, что все физические процессы протекают в любых
объектах одинаково при одинаковых условиях во всех
точках пространства. Так, внутриатомные явления протекают одинаково как на Земле, так и в любой точке Вселенной, если одинаковы условия их протекания.
Однородность времени означает, что все физические
явления протекают одинаково при одинаковых условиях
в любые моменты времени. Условия равновесия тел одни
и те же в III веке до н. э., когда они были сформулированы Архимедом, так и в наши дни.
Единицей измерения пространственных соотношений в Международной системе единиц СИ является
метр (от греч. слова метрон – мера). Длину один метр
имеет эталон длины, хранящийся во французском городе Севре в Палате мер и весов.
Один метр равен пути, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 часть секунды. Метр — одна из основных единиц измерения системы СИ (Системы Интернациональной).
Единицей измерения времени в СИ является секунда.
Одна секунда равна 9129631770 периодам волн, излучаемых атомами цезия при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния. Секунда тоже
относится к основным единицам измерения СИ.
Международная система единиц СИ содержит семь основных единиц измерений – единиц, являющихся эталонными – и две дополнительные. Все остальные единицы являются производными от основных единиц, т. е.
составлены из них.
Основные единицы СИ:
единица длины – метр (м);
единица времени – секунда (с);
единица массы – килограмм (кг);
единица количества вещества – моль (моль);
единица температуры – кельвин (К);
единица силы тока – ампер (А);
единица силы света – кандела (кд) или свеча (св).
Дополнительные единицы:
единица плоского угла – радиан (рад);
единица телесного угла – стерадиан (ср).

I. КИНЕМАТИКА

3. СИСТЕМА ОТСЧЕТА. ТРАЕКТОРИЯ.
ПУТЬ И ПЕРЕМЕЩЕНИЕ

Кинематика – часть механики, изучающая движение
тел без учета их масс и приложенных к ним сил.
Основной задачей кинематики является определение
положения тела в пространстве в данный момент
времени по известным начальным условиям (начальной
координате, начальной скорости) в выбранной системе
отсчета.
Система отсчета – это совокупность системы координат, тела, принятого за начало отсчета, и прибора для измерения времени (часов).
Тело отсчета – это тело, относительно которого
определяют положение движущегося тела в каждый момент времени.
Тело отсчета может быть выбрано произвольно. Им может быть вокзал, от которого удаляется поезд, или планета, к которой приближается космический корабль.
Если материальная точка М движется по прямой, то
ее положение можно определить на одной оси координат – оси OX с помощью одной
координаты x (рис. 31).
Если точка движется в одной
плоскости, то ее положение
можно определить в плоской системе координат XOY (рис. 32)
векторным или координатным
способами.
При векторном способе положение точки определяется радиусомвектором , проведенным из начала отсчета O к ней.
Сам радиусвектор характеризуется его модулем || или r и

Рис. 31

0
х
Х

ϕ

Рис. 32

О

направлением, т. е. углом ϕ между радиусомвектором и какойлибо осью координат, например, осью OX.
Модуль радиусавектора | | связан с координатами
тела x и y по теореме Пифагора соотношением

+
=
.
Угол ϕ, определяющий направление радиусавектора

, можно найти из треугольника OMx:

=
=
ϕ
, так как Mx = y.

Если рассматривается движение точки М в трехмерном пространстве, то его положение определяется в декартовой системе координат с тремя координатными осями OX, OY и OZ или с помощью вектора , или с
помощью трех координат x, y и z (рис. 33).
Модуль радиусавектора | | и
угол ϕ между радиусомвектором
и плоскостью XOY связаны с
координатами x, y, z соотношением, которое можно определить, обратившись к рис. 33. Из ΔОМN

+
=
,
где MN = z и

+
=
.

Следовательно, 
+
+
=
и 

+
=
ϕ
.

Если траектория точки М — кривая линия, то ее положение можно задать с помощью криволинейной координаты l (рис. 34).
Выбор системы отсчета определяется задачами исследования.
При решении многих практических задач требуется определить траекторию движения материальной точки.

Рис. 33

Рис. 34

l

O

M

О