Физика

ФИЗИКА

Москва

ИНФРА-М

2021

В.И. ДЕМИДЧЕНКО
И.В. ДЕМИДЧЕНКО

6-е издание, переработанное и дополненное

Учебник

Рекомендовано

федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением 

высшего образования «Санкт-Петербургский государственный 

университет гражданской авиации» в качестве учебника 

для студентов высших учебных заведений и курсантов 

высших военно-учебных заведений, обучающихся по направлению 
25.03.03 «Аэронавигация» и специальностям высшего образования

 «Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения», 

«Летная эксплуатация воздушных судов» и «Аэронавигационное 

обслуживание и использование воздушного пространства»

Регистрационный номер рецензии 994 от 30 августа 2010 года

УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73
       Д30

Демидченко В.И.

Д30 
  Физика : учебник / В.И. Демидченко, И.В. Демидченко. — 6-е изд., 
перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 581 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). 

ISBN 978-5-16-010079-1 (print)
ISBN 978-5-16-101800-2 (online)

Учебник рецензирован Министерством образования и науки РФ в феде
ральном государственном образовательном учреждении высшего образования 
«Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации» 
и состоит из семи стандартных разделов, в которых изложены физические 
основы механики, молекулярной физики и термодинамики, кинематики и динамики жидкостей и газов, электричества и магнетизма, колебаний и волн, 
оптики и фотометрии, твердого тела, квантовой физики, физики атомного ядра, 
элементарных частиц. Прослеживается тенденция к популярному изложению 
некоторых физических проблем с большим объемом фактического материала 
и сохранением необходимого математического аппарата и методов анализа.

Учебник написан в соответствии с требованиями Федерального госу
дарственного образовательного стандарта высшего образования последнего 
поколения.

Книга может быть использована не только студентами и курсантами, об
учающимися по направлению подготовки 25.03.03 «Аэронавигация», но и студен тами технических высших учебных заведений, а также преподавателями, 
аспирантами и научными сотрудниками.

УДК 53(075.8)
ББК 22.3я73 

Р е ц е н з е н т ы: 

А.Ю. Жиров, доктор физико-математических наук, профессор Военно
воздушной академии им. Ю.А. Гагарина;

И.М. Дунаев, доктор физико-математических наук, профессор Кубанского 

государственного технологического университета;

И.П. Рябчун, кандидат технических наук, профессор Краснодарского 

высшего военного авиационного училища летчиков (военного института);

В.П. Ноздрачева, кандидат физико-математических наук, профессор Ей
ского высшего военного авиационного училища

ISBN 978-5-16-010079-1 (print)
ISBN 978-5-16-101800-2 (online)

© Демидченко В.И., 
   Демидченко И.В., 2016

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 

в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Предисловие

Физика — это протодисциплина среди множества ныне существующих. Именно она сформулировала и объединила в строгую 
систему доступные знания о природе. И эти знания используются 
фундаментальными и прикладными науками (астрономией, химией, 
биологией и многими другими), которые, опираясь на физические 
представления и положения, определяют всю сумму материальных 
достижений человечества.
Природа — объективна, познание — субъективно. Знание о природе тем ценнее, чем оно объективней, чем ближе к истине. Поэтому 
нужно помнить, что субъективность мышления и познания может 
предлагать, а затем и отстаивать научные положения и взгляды, не 
совпадающие с объективной реальностью. Но, несмотря на это, современные знания являются основой технического прогресса. Будущий специалист уже в аудитории ориентирован на встречу с совершенно новыми процессами, новыми методами, новой техникой. Офицер-выпускник, получивший техническое образование, должен быть 
способен в своей деятельности к поиску и принятию оригинальных 
решений. Кстати, это конечная цель любого образования — на учить 
находить правильные решения. Здесь имеется в виду следую щее. Поединок в воздухе связан с большим риском, требует максимального 
нервно-эмоционального напряжения не только от летчика, но и от 
офицера, управляющего полетом. Исход любых действий зависит 
прежде всего от физических, нравственно-психологических качеств 
и от интеллектуального потенциала летчика и офицера боевого управления, способных предупреждать развитие событий и «переиграть» 
противника. Чтобы достичь этой цели, нужен переход к сис темнологическому изложению всех дисциплин с преимущественно дедуктивным развитием их содержания. Конечно, учитывая специфику 
физики, невозможно избежать эклектического построения курса. 
И тем не менее авторы сделали попытку перейти от общих идей и закономерностей к рассмотрению вариантов их реализации и надеются 
на то, что путешествие в мир физики для читателя на этот раз окажется 
менее трудным и не только полезным, но и увлекательным. При всем 
этом авторы в меру личных и объективных возможностей стремились 
сохранить традиционные черты курса и изложили все вопросы официальной программы.
Учебник подготовлен в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения.

В учебнике полностью отсутствует стремление авторов научить 

студентов приемам и методам решения физических задач.

Какими бы значительными ни были усилия авторов в направле
нии общедоступного изложения физических знаний, не менее значительным должно быть усердие обучаемых в их восприятии. Иными 
словами, учебник адресован желающим овладеть минимумом информации, необходимой для освоения последующих за физикой 
учебных дисциплин.

Уместно высказать здесь пожелание коллегам, работающим 

в сфере создания физической литературы, о необходимости согласовывать изложение учебных вопросов с методическими достижениями отсоединившихся от физики учебных дисциплин. Авторам 
также следует проявлять одинаковую заинтересованность в изложении разделов физики. Трудно объяснить особую любовь авторов 
к механике и электромагнетизму и полную нелюбовь, например, 
к термодинамике.

Авторы выражают свою признательность за разъяснение возник
ших вопросов и практические советы рецензентам: профессору 
А.Ю. Жирову, профессору И.М. Дунаеву, профессору И.П. Рябчуну — и благодарят доцента кафедры общеобразовательных дисциплин ушедшего в прошлое Ейского высшего военного авиационного 
училища Е.В. Сычеву за полезные рекомендации при разработке 
учебника и операторов компьютерной верстки Татьяну Александровну Балала и Татьяну Владимировну Борисенко за подготовку дизайна макета учебника.

Создание небольшого по объему, простого по изложению и од
новременно достаточно строгого с научной точки зрения современного учебника представляет трудную задачу. Поэтому критические 
замечания неизбежны и будут приняты с благодарностью по адресу: 
350020, Краснодар, ул. Красная, 155, кв. 34, В.И. Демидченко или по 
электронной почте vansorin@mail.ru.

В.И. Демидченко

введение

Обобщение экспериментальных факторов составляет понятие 
физического закона. Он предполагает устойчивое повторение объективных закономерностей. Физические законы интерпретируются 
в виде математических соотношений между физическими величинами. Физическая величина есть характеристика свойства тела, процесса, явления. Количественную связь между исследуемыми физическими величинами получают в результате измерения каждой из 
них. Измерение — это нахождение значения физической величины 
опытным путем с помощью специальных технических средств (приборов). Измерение представляет собой важную задачу физики и техники. Измерения классифицируют на прямые, когда физическую 
величину измеряют каким-либо прибором, и косвенные, когда физические величины находят расчетом на основании прямых измерений 
величин, связанных с измеряемой величиной соответствующим 
уравнением.
Процесс измерения неизбежно связан с погрешностью. Различают четыре типа погрешностей (ошибок) измерения:
 
• грубые — возникают вследствие невнимательности экспериментатора и при плохих условиях наблюдения;
 
• систематические — возникают из-за неисправности измерительного прибора, неточности метода измерения при моделировании реальных тел, явлений, процессов;
 
• инструментальные — возникают из-за несовершенства измерительной техники. Величина погрешности определяется классом 
точности прибора;
 
• случайные — возникают под действием внешних факторов 
(магнитных полей, вибраций, от изменения температуры и др.), 
не учтенных методом измерения.
Измерение физической величины проводится, как правило, неоднократно. В результате, измерив n значений х1, х2, …, хn физической величины, определяют ее среднее арифметическое значение 
<х> = (х1 + х2+ … + хi + … + хn) / n, которое рассматривается как 
истинное значение физической величины х и используется как окончательный итог серии измерений.
Разность между показанием прибора хi (результатом отдельного 
измерения) и истинным (среднеарифметическим) значением величины <х> называют абсолютной погрешностью отдельного измерения 
величины х:

 
|хi  – <х>| = |Dхi|.

Среднеарифметическое значение абсолютных погрешностей серии 
измерений называют среднеарифметической абсолютной погрешностью:

 

<
>
∆
∆
x
x
n
i
i

n
=

=∑
/ .

1

Окончательный результат измерения записывают в виде
 
х = <х> ± <Dх>.
Для оценки точности определения измеряемой величины используется понятие относительной погрешности. Относительная погрешность d представляет собой отношение среднеарифметической абсолютной погрешности <Dх> к среднеарифметическому значению 
измеряемой величины <х> и выражается в долях единицы
 
d = <Dх> /<х>
или процентах d = (<Dх> / <х>) · 100%. Относительную погрешность 
допускается также рассматривать через отношение соответствующих 
характеристик, отнесенных к отдельному показанию измерительного 
прибора: d = Dхi / хi.
Для осуществления измерения необходимо располагать не только 
нужными измерительными приборами, но и установить соответствующие единицы измерения, объединенные в некоторую систему.  
В 1960 г. во всех странах введена международная система (СИ) единиц измерения. В физике применяются семь основных физических 
величин: длина, время, масса, температура, сила тока, количество 
вещества, сила света. Остальные физические величины называют 
производными. Соответственно для семи основных физических величин в СИ используются семь основных единиц измерения:
единица длины 
метр 
м
единица времени 
секунда 
с
единица массы 
килограмм 
кг
единица температуры 
кельвин 
К
единица силы электрического тока 
ампер 
А
единица количества вещества 
моль 
моль
единица силы света 
кандела 
кд

В качестве дополнительных единиц к основным для измерения 
углов используются:
единица плоского угла 
радиан 
рад
единица телесного угла 
стерадиан 
ср

Следует вспомнить, что в СИ количество вещества характеризуется числом его структурных элементов. Оно выражается в молях. То 
есть моль любого вещества содержит одинаковое число структурных 
элементов, называемое постоянной Авогадро NА.

рАЗдел I 
ФиЗиЧесКие основЫ МеХАниКи

ГлАвА 1 
КинеМАтиКА МАтериАльной тоЧКи

1.1. 
МеХАниКА. МеХАниЧесКое движение

Механика — это раздел физики, в котором рассматриваются 
закономерности механического движения тел. При этом возможны 
взаимодействия между телами.
Механика в зависимости от изучаемого предмета подразделяется 
на механику материальной точки, механику твердого тела и механику 
сплошной среды.
Материальная точка есть модель макроскопического тела, размеры которого значительно меньше расстояний от него до других тел. 
Материальная точка представляет собой своеобразную точечную 
массу по аналогии с точечным зарядом, точечным источником 
света. Модель материальной точки исключает необходимость учета 
размеров и формы тела, что, естественно, упрощает задачу. Так, 
Землю как компоненту Солнечной системы можно считать материальной точкой, поскольку расстояние до Солнца равно примерно 
12 тыс. земных диаметров. В системе же Земля—спутник материальной точкой будет спутник. При движении Земли вокруг своей 
оси она не может быть принята за материальную точку, так как характер вращательного движения Земли существенно зависит от ее 
формы и размеров. Таким образом, одно и то же реальное тело может рассматриваться либо как материальная точка (в первом случае), либо как тело конечных размеров (во втором и третьем случаях). При этом, однако, существенное значение имеет постановка 
задачи. В задаче, например, о выпущенном с летательного аппарата 
заряде последний может рассматриваться отвлеченно от его размеров и формы в виде материальной точки. При изучении же аэродинамических качеств заряда знание его размеров и геометрической 
формы необходимо.
В механике твердого тела в качестве модели реального тела используется абсолютно твердое тело, размеры которого не меняются при 
силовом воздействии. Это понятие применяется в тех случаях, когда 
деформациями тела можно пренебречь. Конечно же это — упрощение истинной картины процесса, в котором всякое тело под дей

ствием приложенной силы изменяет свои размеры, или форму, или 
то и другое.
Механика сплошной среды рассматривает газ, жидкость, твердое 
тело как непрерывную сплошную среду. Допускается деформация 
среды, строение тела не имеет значения.
Механика подразделяется также на классическую, релятивистскую 
и квантовую.
Основой классической механики являются законы И. Ньютона, поэтому ее называют еще ньютоновской. Классическая механика справедлива для макротел (макроскопических тел), скорость которых несоизмеримо мала по сравнению со скоростью света. Макротело по массе 
превышает массу отдельного атома (микротела) настолько, что становится зримым.
Релятивистская механика охватывает микро- и макрообъекты, 
скорость движения которых близка к скорости света. Предметом релятивистской механики является движение, протекающее в ускорителях элементарных частиц и в бесконечных просторах Вселенной.
Квантовая механика используется при исследовании строения 
и свойств атомного ядра, атома, твердых тел и жидкостей в целом.
По содержанию изучаемого материала механика делится также на 
кинематику, динамику и статику.
Кинематика описывает механическое движение тел независимо от 
причин, его вызывающих и изменяющих.
Динамика изучает законы механического движения тел при взаимодействии их между собой и под действием приложенных к ним сил. Основные законы динамики устанавливают связь между физическими 
величинами и кинематическими характеристиками движения. Следствием основных законов динамики являются фундаментальные 
законы сохранения.
Статика исследует условия равновесия тел, находящихся под воздействием других тел и силовых полей. Законы статики есть частные 
случаи законов динамики.
В классической механике движением тела называют изменение 
его положения в пространстве относительно другого. Естественно, 
что изменение положения происходит и во времени. Пространство 
и время, как известно, есть формы существования материи. И. Ньютон считал пространство и время абсолютными, т.е. независящими 
друг от друга и от наличия или отсутствия в пространстве физических 
тел. Теория относительности коренным образом изменила представления о пространстве и времени. Пространство и время, согласно 
этой теории, неразрывно связаны друг с другом и образуют единое 
четырехмерное пространство — время.
Механическое движение является простейшим движением материи 
в сравнении со скрытыми формами движения микрочастиц вещества. 

К скрытым формам движения относят молекулярно-тепловое, внутримолекулярное, внутриатомное, внутриядерное и электрическое движения материи. Здесь уместно вспомнить П. Гольбаха, который еще 
в XVIII в. писал, что «идея природы заключает в себе… идею движения» и что «движение — это способ существования, вытекающий 
необходимым образом из сущности материи, что материя движется 
благодаря собственной своей энергии, что ее движение происходит 
от присущих ей сил».
Различают три вида механического движения тел: поступательное, вращательное и колебательное. Поскольку движение материальной точки можно рассматривать только относительно другой материальной точки, то при изучении перемещения материальной точки 
необходимо, прежде всего, иметь систему отсчета, т.е. систему координат, связанную с телом, относительно которого рассматривается 
движение материальной точки или тела. В качестве системы координат наиболее часто используется декартова система с координатами x, y, z.
Характеристиками движения являются: траектория, путь, перемещение, скорость и ускорение. Линия, которую описывает движущая ся материальная точка, называется траекторией. При поступательном движении все точки тела описывают одинаковые траектории, 
поэтому ограничиваются рассмотрением движения одной точки. По 
форме траектории различают прямолинейное движение, криволинейное, движение по окружности и т.д. Если при движении абсолютно 
твердого тела прямая, проходящая через какую-либо точку, остается 
неподвижной, то такое движение называют вращением тела относительно этой прямой — оси вращения. Определение колебательного 
движения будет дано в гл. 13.
Расстояние, пройденное материальной точкой за время t, называют 
путем s. Помимо этого понятия, в механике широко используется 
также понятие перемещения материальной точки. Перемещение — это 
направленный отрезок, соединяющий начальную и конечную точки на 
траектории. Летающий лыжник движется по траектории, а длина 
полета оценивается перемещением от конца трамплина до точки 
приземления лыжника на снежный грунт. Кстати, мировой рекорд 
летающих лыжников — 209 м (1998 г.). При прямолинейном движении в одну сторону путь и перемещение численно равны. При криволинейном движении путь численно больше перемещения, а при 
движении материальной точки по замкнутой траектории перемещение 
равно нулю. Так, итоговое перемещение Лунохода-1 массой 756 кг на 
Луне оказалось равным нулю, поскольку он вернулся в исходную 
точку лунной поверхности. Луноход-1 проработал в Море Дождей 
более десяти месяцев, преодолел путь в 10 540 м, передал на Землю 
20 тыс. фотоснимков, исследовал физико-химические свойства лун

ного грунта в 500 точках. Путь является скалярной физической величиной, а перемещение — вектором. Векторными величинами являются скорость и ускорение.

1.2. 
сКорость МАтериАльной тоЧКи

В механике под скоростью понимают векторную физическую 

величину , которая характеризует не только, как быстро происходит 
перемещение материальной точки по траектории, но и направление 
движения в каждый момент времени.
Если материальная точка при движении по некоторой траектории 
проходит за любые равные промежутки времени t одинаковые расстояния s, то движение материальной точки называют равномерным, 
а скорость материальной точки определяется отношением пути, проходимым за промежуток времени t, к этому промежутку времени:

 
υ = s / t, м/с 
(1.1)

При неравномерном движении формула (1.1) дает среднее значение скорости за промежуток времени t:

 
<υ> = s / t, м/с 
(1.2)

Для определения скорости υ в конкретный момент времени t берут за t малый интервал времени Dt и измеряют пройденный за этот 
промежуток времени путь Ds. Отношение Ds / Dt дает среднюю скорость материальной точки за время Dt. Уменьшая Dt и, следовательно, 
Ds, получим значения отношения Ds / Dt, приближающиеся к истинной, или, что то же самое, мгновенной скорости в момент времени 
t. Аналитически это выглядит так:

 
 м/с, 
(1.3)

где limes в переводе с латинского — предел, граница.

Изложенное можно проиллюстрировать с помощью понятия радиуса-вектора следующим образом (рис. 1.1). Пусть в момент t1 материальная точка находится в состоянии 1, определяемом радиусом-вектором r t( ).
1
 За интервал времени Dt материальная точка переходит 
в состояние 2, определяемое радиусом-вектором r t( ).
2  Перемещение 
материальной точки сопровождается приращением радиуса-вектора 
на величину ∆r
r t
r t
=
−
( )
( ).
2
1
 При Dt → 0, ∆r → 0  длина дуги Ds 
приближается по значению к длине хорды 1-2, равной ∆r. Предельным положением хорды является касательная к траектории в точке 1.
Таким образом, вектором мгновенной скорости материальной 
точки в данном случае называют производную радиуса-вектора ма