Физика


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году




А.А. Пинский, Г.Ю. Граковский



ФИЗИКА



            УЧЕБНИК



4-е издание, исправленное

Под общей редакцией академика Российской академии образования, доктора педагогических наук, профессора Ю.И. Дика, доктора педагогических наук, профессора II.С. Пурышевой



Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования



            znanium.com



Москва

2021

ИНФРА-М

УДК 53(075.32)
ББК 22.3я723
     П32



     Рецензенты:
        A.M. Новиков — доктор педагогических наук, академик Российской академии образования, профессор;
        Э.В. Теодорович — доктор физико-математических наук, профессор Московского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского



      Пинский А.А.
П32 Физика : учебник / А.А. Пинский, Г.Ю. Граковский ; под общ. ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой. — 4-е изд., испр. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2021. — 560 с. — (Среднее профессиональное образование).

         ISBN 978-5-00091-739-8 (ФОРУМ)
         ISBN 978-5-16-016373-4 (ИНФРА-М, print)
         ISBN 978-5-16-102411-9 (ИНФРА-М, online)

         Учебник содержит общий курс физики, предназначенный для учащихся, закончивших не менее 9 классов общеобразовательной школы. В него вошли: механика, основы специальной теории относительности, термодинамика, материаловедение, электротехника, астрономия, экология и другой профессионально значимый материал. Отличительная особенность курса состоит в том, что разделы физики могут изучаться в удобной для преподавания последовательности. Это дает возможность, например, сразу после повторения механики изучать электродинамику и создавать теоретическую базу для курса электротехники. Такое построение учебника облегчает понимание межпредметных связей физики со специальными дисциплинами.
         Предназначен для студентов учреждений среднего профессионального образования, а также может быть использован для самообразования, заочной и вечерней форм обучения и при подготовке к вступительным экзаменам в вуз.

УДК 53(075.32)
ББК 22.3я723






ISBN ₉₇₈₋₅₋₀₀₀₉₁₋₇₃₉₋₈ ₍ФОРУМ₎              © Пинский А.А., Граковский Г.Ю.,
ISBN 978-5-16-016373-4 (ИНФРА-М, print) 2016
ISBN 978-5-16-102411-9 (ИНФРА-М, online) © ФОРУМ, 2014

                Предисловие








Курс физики для техникумов и колледжей состоит из основ механики, включая специальную теорию относительности, молекулярной физики, электродинамики, оптики и квантовой физики. Он направлен на повышение общего уровня развития учащихся и подготовку к изучению специальных технических дисциплин, поэтому авторы стремились к такому изложению материала, которое дает более глубокое понимание физических явлений. В учебник введен раздел для повтора, где кратко излагаются основы механики, изученные в девятилетней школе.
    Изложение материала в учебнике построено так, что электродинамика и молекулярно-кинетическая теория могут изучаться независимо друг от друга. Это дает возможость, например, в учебных группах электротехнического профиля сразу же после повторения механики изучать электродинамику и, следовательно, создавать теоретическую базу для курса электротехники.
    Особенностью учебника является также то, что изложение специальной теории относительности перенесено в начало книги для того, чтобы нужные понятия можно было использовать по всему курсу, в частности при рассмотрении магнитного взаимодействия как релятивистского эффекта, эффекта Доплера, ядерной энергетики и т. д.
    Данный учебник представляет собой изложение курса, в котором физика интегрируется с астрономией. Основные понятия астрономии излагаются параллельно с родственными разделами курса физики. Вместе с тем, в книге выделяются обобщающие параграфы, посвященные строению Солнечной системы и основным понятиям небесной механики, а также строению и развитию Вселенной.
    Кроме того, в учебник включены вопросы материаловедения, электротехники, экологии и другой довольно важный профессионально значимый прикладной материал, представляющий интерес для учащихся массовых групп профессий, в частности, электротехнических, строительных и машиностроительных.

Предисловие

    Помимо необходимого объема курса физики, соответствующего требованиям образовательного стандарта, в учебнике представлен дополнительный материал для учащихся, проявляющих углубленный интерес к предмету, а также материал для самообразования и для подготовки к вступительным экзаменам в вуз. При необходимости эти сведения без ущерба для усвоения основного содержания могут быть опущены.
    При изложении курса широко используется уже известный учащимся математический аппарат, что позволяет в ряде случаев более точно описывать физические закономерности, проводить их анализ, пользоваться методом аналогий, а также усвоить межпредметные связи физики и математики.

                Как работать с учебником








Успешное изучение основных понятий физики представляет собой достаточно трудную задачу, требующую времени и определенных усилий от учащегося. Цель данных указаний — по возможности облегчить работу над учебником.
   1.    Иногда ученику кажется, что для понимания и усвоения материала достаточно лишь бегло прочитать книгу. Это глубокое заблуждение. Учебник читать нельзя, его следует изучать, т. е. внимательно прорабатывать все его разделы, обращая особое внимание на определение основных понятий, формулировку основных законов и вывод следствий из них.
   В настоящее время наука физика позволяет с единых позиций обозреть огромный фактический материал. При этом очень важно уяснить статус того или иного положения в структуре физического знания: является ли оно определением, экспериментальным фактом, логическим следствием или обобщением и т. п. Только при таком отношении к изложенному материалу возможно его глубокое понимание, а оно является необходимым условием прочного усвоения физики.
   2.     Необходимо добиваться четкого усвоения основных понятий, законов и теоретических положений фундаментальных экспериментов и следствий из них. Только на основе глубокого понимания материала происходит его активное усвоение.
   Не огорчайтесь, если вы что-либо забыли! Это нормальное свойство мозга, его борьба с перегрузкой. Учтите, что забытый материал легко восстанавливается в памяти, если он вами в свое время был понят. А вот механически заученный материал восстановить в памяти практически невозможно.
   3.     Для облегчения работы над текстом учебника внутри каждого параграфа учебный материал разбит на небольшие подразделы, выражающие более или менее законченный круг идей. Постарайтесь после каждого такого раздела осмыслить прочитанное и лишь затем переходите к работе над следующей дозой информации.

Как работать с учебником

   Работу над учебником облегчит система ссылок на уже изученный материал. Ссылки даются либо на параграф, либо на конкретную формулу, знать которую необходимо для понимания изучаемого материала; этой же цели служат подробное оглавление и предметный указатель в конце книги.
   Если вы забыли материал, на который имеется ссылка (определение понятия, формулировку закона, соответствующую формулу и т. п.), то вернитесь к нему и повторите — лишь тогда вам станет вновь ясен излагаемый материал. В тексте также имеются указания на последующие главы или параграфы, где рассматриваемый вопрос будет использован или углублен. Это указывает на значимость данного вопроса в курсе.
   4.    Учебный материал должен изучаться в той логической последовательности, в какой он изложен в учебнике. Лишь внимательное чтение, разбор всех выкладок, их самостоятельный вывод, усвоение логики рассуждений приведут к истинному пониманию существа вопроса и будут способствовать прочному запоминанию. В этом плане весьма полезно конспектирование материала, особенно той его части, которая обозначена в программе. Определения и выводы старайтесь формулировать точно, сверяясь с текстом учебника, при этом речь идет, конечно, о точности по существу, а не о дословном совпадении формулировок.
   5.    При работе над учебником обратите внимание на описание экспериментов. Большинство из тех, что рассмотрены в книге, — это фундаментальные эксперименты, послужившие основой для разработки той или иной физической теории.
   Физика как часть естествознания является наукой экспериментальной . Эксперимент служит в ней как исходной базой, поставляющей фактический материал, так и методом проверки того или иного следствия теории. Тем самым эксперимент является критерием истины. С другой стороны, описанные в книге эксперименты познакомят читателя с многочисленными применениями физики на практике.
   6.    Физику нельзя изучить, не научившись решать задачи. Закрепление знаний путем решения задач — один из эффективных способов изучения физики и астрономии. С этой целью в конце каждой главы приведено небольшое число задач. Постарайтесь все их решить.
   Обратите также внимание на то, что в конце каждой главы даются контрольные вопросы для проверки усвоения изученного материала. Постарайтесь ответить на все вопросы. Если вы встретите затруднения при ответах на них, обратитесь снова к изучен

Как работать с учебником

7

ной главе, более внимательно перечитайте ее, и вы обязательно найдете в тексте ответ.
   Следует учесть, что решение физических задач (исключая стандартные упражнения по подстановке значений величин в готовую формулу) — это теоретическая деятельность, плохо поддающаяся стандартизации и алгоритмизации. Поэтому не следует впадать в панику, если сразу решить задачу не удается! Чаще всего это сигнал о поверхностном, формальном усвоении теории. Вернитесь еще раз к соответствующему разделу учебника и изучите его более внимательно. Обычно это приводит к успеху. В трудных случаях обратитесь за помощью к учителю или к своим товарищам.
   7.    В данном учебнике имеется материал повышенного уровня сложности. Кроме того, в учебнике содержится значительный объем прикладного и профессионально значимого материала, который будет полезен для учащихся только определенных групп профессий и абитуриентов, он обозначен специальным знаком * или набран мелким шрифтом. При отсутствии учебного времени этот материал может быть пропущен без ущерба для освоения основного материала.
   Желаем вам успехов в работе над учебником!

                Раздел I
                ОСНОВЫ МЕХАНИКИ





Глава 1


            КИНЕМАТИКА ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ



§1.1 . Основные понятия кинематики


1. Механическое движение — изменение положения тела в пространстве с течением времени. Говорить о механическом движе

нии тел имеет смысл только по отношению к некоторому произ

вольно выбранному другому телу, которое называют телом отсчета. Совокупность связанной с телом отсчета системы

координат (чаще всего декартовой системы координат, рис. 1.1) и синхронизированных часов называют системой отсчета.
   В процессе механического движения изменяются координаты тела или его частей в выбранной системе отсчета.
   2.     Изучая механическое движение, в ряде случаев целесообразно отвлечься от размеров и формы тела. Тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь, называют материальной точкой (для краткости — точкой).
   Действительно, если пассажира интересует, сколько времени самолет будет лететь от Москвы до Новосибирска, то совершенно не нужно знать характер движения отдельных частей самоле-

та. Однако нельзя пренебречь размерами и формой самолета при изучении таких явлений, как взлет, посадка, сопротивление воздуха и т. п. Аналогично мы можем считать Землю и другие планеты материальными точками, если нас интересует характер их движения вокруг Солнца. Но если нужно выяснить причины смены дня и ночи или времен года, то ту же Землю уже нельзя считать



Рис. 1.1

Глава 1. Кинематика движения материальной точки

9

точкой, а следует учесть ее размеры, вращение вокруг своей оси, наклон этой оси к плоскости орбиты и т. п.
    Таким образом, одно и то же тело в одних задачах можно рассматривать как материальную точку, а в других задачах так поступать нельзя.
    3.    Точка в заданной системе отсчета движется по линии, которую называют траекторией. Если поджечь конец прутика и быстро вращать его в воздухе, то можно отчетливо увидеть (особенно в темноте) траекторию движения обуглившегося конца прутика.
    Форма траекторий зависит от выбора системы отсчета. Действительно, пусть, например, тело падает сверху вниз в вагоне, который движется относительно Земли. Тогда траектория этого тела относительно вагона — прямая линия, относительно Земли — это кривая (при отсутствии сопротивления воздуха — парабола). То же самое можно сказать о траектории, которую описывает какая-либо точка пропеллера движущегося самолета. В системе отсчета, связанной с самолетом, эта точка движется по окружности; в системе же, связанной с Землей, она движется по винтовой линии.
    Таким образом, форма траектории относительна. Нельзя говорить о форме траектории вообще; речь может идти лишь о форме траектории в заданной системе отсчета.
    4.    Положение материальной точки в любой момент времени удобно определять с помощью радиуса-вектора г, направленного из начала координат до этой точки. При движении точки конец радиуса-вектора описывает траекторию движения. На рис. 1.2 линия AB изображает участок траектории движения точки изменении ее радиуса-вектора от значения г₀ в начальный мент времени t₀ до значения г в момент времени t.
    5.    Перемещением материальной точки за промежуток времени Дt = t - 10 называют вектор, равный разности радиусов-векторов, характеризующих конечное (г) и начальное (г₀) положения движущейся точки: Дг = г - г₀. Перемещение — вектор, направленный из начального в конечное положение движущейся точки

(рис. 1.2).                                   Рис. 1.2

при мо-

Раздел I. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

   Перемещение часто обозначают буквой 5. Единица перемещения в СИ — метр (м).
   Длина участка траектории, пройденного движущейся точкой за данный промежуток времени, получила название пути l. Путь — положительный скаляр. На рис. 1.2 путь l представлен кривой AB.
   6.    Средней скоростью уср движения называют векторную величину, равную отношению перемещения Кr к промежутку времени Дt, за который это перемещение произошло:


Дг v = — ср Д t


(1.1)

    Часто пользуются понятием средней скорости, например, при составлении расписания движения поездов, при расчете расхода бензина двигателем движущегося автомобиля. В этом случае средняя скорость vср — скалярная величина, равная отношению пути l к промежутку времени Д t:


l
vср = Д t

(1.2)


   7.    Нас часто интересует не средняя скорость движения тела за определенный промежуток времени, а скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, т. е. мгновенная

скорость тела.
    Например, дальность полета ракеты и форма ее траектории

определяются значением и направлением скорости в момент ее запуска, а не средней скоростью.

   Предположим, что необходимо определить мгновенную ско-

рость тела в точке A (см. рис. 1.2). Средняя скорость тела при его


перемещении из точки A в точку B равна vcₚ


Дг
Д t ’

    Будем уменьшать промежутки времени и соответственно перемещения тела, приближаясь к точке A, и вычислять в каждом случае среднюю скорость. Ее значения будут различаться. В конце концов промежуток времени станет настолько малым, что приборы перестанут фиксировать изменение скорости. Эта скорость и есть мгновенная скорость тела в данной точке траектории в данный момент времени.
    Таким образом, мгновенная скорость v — предел, к которому