Лекции по физике. По дороге в институт

Ашкинази Л. А.

Лекции по физике

По дороге в институт

Москва, 2022

УДК 530.1
ББК  22.31
А98

Ашкинази Л. А.
А98 Лекции по физике. По дороге в институт. – М.: ДМК Пресс, 2022. – 
404 с.: ил.

ISBN 978-5-93700-146-7

Это издание является своеобразным продолжением книги «Лекции о физике. 
По дороге из школы», хотя то и другое можно изучать обособленно. В обеих книгах 
материал ориентирован на школьников, но если в первой из них речь идет 
об устройстве физики как науки, то здесь обсуждаются более конкретные вещи – 
физические и инженерные проблемы с привязкой к школьной программе.
Как ведут себя летящие заряды в вакууме, в каких областях применяется 
магнитное поле, что такое адгезия, чем отличаются галогенная и люминесцентная 
лампы – эти и многие другие вопросы читатели прояснят для себя, 
изучая книгу. Материал относится к разным разделам школьного курса и сопровождается 
задачами.

УДК 530.1
ББК 22.31

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой 
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность 
технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать 
абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство 
не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

© Ашкинази Л., 2022
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2022
ISBN 978-5-93700-146-7

Оглавление

Предисловие. Чем эта книга отличается от других .....................................................4

Лекция первая. Конденсатор .......................................................................................10

Лекция вторая. Постоянный ток ..................................................................................26

Лекция третья. Магнитное поле, его создание и применение ...............................46

Лекция четвертая. Источники электричества ..........................................................68

Лекция пятая. Сеточные лампы ...................................................................................85

Лекция шестая. Электрон в объятиях волны ......................................................... 120

Лекция седьмая. Вторая эпоха СВЧ ЭВП ................................................................ 149

Лекция восемь. Ускоренные испытания ................................................................. 172

Лекция девятая. Вопросы в космосе ........................................................................187

Лекция десятая. Вакуум ............................................................................................ 204

Лекция одиннадцатая. Массоперенос .................................................................. 235

Лекция двенадцатая. Поверхность ........................................................................ 254

Лекция тринадцатая. Фазовые диаграммы ........................................................ 281

Лекция четырнадцатая. Прозрачное и непрозрачное ...................................... 300

Лекция пятнадцатая. Да будет свет ...................................................................... 323

Лекция шестнадцатая. О среднем – ни слова ..................................................... 342

Лекция семнадцатая. Теплопередача ................................................................... 362

Лекция восемнадцатая. Разные умножения, разные сложения ...................... 382

Заключение … ............................................................................................................... 401

Предисловие. 
Чем эта книга 
отличается от других

Первое, что надо понять, стоя у прилавка книжного магазина или находясь 
на соответствующем сайте, – нужно ли читать конкретную книгу. 
Ответ зависит со стороны книги – от стоимости и объема, а с вашей стороны – 
от скорости чтения, наличия времени и денег. Однако главное – чем 
эта книга похожа на другие и чем от них отличается. Данная книга может 
считаться продолжением «Лекций о физике. По дороге из школы». Но если 
в первой речь шла в основном об устройстве физики как науки, то здесь 
вы узнаете о более конкретных вещах, о физических проблемах. Материал 
разделен на лекции; по сравнению с другими учебниками, каждая из них 
больше параграфа, но меньше главы, нечто среднее. Это материал, который 
может быть донесен до заинтересованной аудитории за одну лекцию. 
Вы, разумеется можете изучать его в своем темпе, максимизируя пользу 
и удовольствие.
По сложности материал ориентирован на заинтересованных школьников. 
Причем это не записанные лекции, а тексты, созданные специально 
для книги, но после многих занятий и с использованием собранного для 
этих занятий материала. Такой путь более трудоемок, но мне было интереснее 
работать так, да и результат вроде бы получается лучше. Для большинства 
школьников физика – это такие буковки на доске, а в конце – числа 
и «ответ». Но они не понимают, что это белое из носика чайника и почему 
оно обжигает, с какой стати смартфон теплый и зачем гвоздю коэффициент 
трения. Показать привязку школьной физики к реальности – достойная 
задача, и я попытался это сделать. Материал относится к разным разделам 
школьного курса и сопровождается задачами и вопросами. 

ОсОбеннОсти этОй книги 

В учебниках принято деление физики на механику, тепло, электричество 
и т. д. В природе этого деления нет, в реальных объектах и ситуациях работают 
процессы, которые традиционно относят к разным областям. В этой 
книге 18 лекций, и вот как смешаны в них классические разделы, которые 
вы привыкли видеть в учебниках. 

Электричество

1
2

3
4

5

8

10
11

13

16
17

14
15

18

12

9

6 7

Тепло
Оптика

Рис. П.1

Вы, конечно, понимаете картинку. Чем ближе к соответствующему углу, 
тем больше в лекции материала по этому разделу. Вам не кажется, что 
на рисунке чего-то нет? Попробуйте придумать аналогичный способ, но 
включающий то, чего не хватает. Мы это обсудим в самом конце книги, 
на последней странице, так сказать, на десерт. 
Автор пытался соблюдать следующие правила:

 
 погружение в вопрос должно быть многоуровневое: это вы учили 
в школе, это будете учить в хорошем институте, это – изучать потом, 
если станете работать в данной области;

 
 желательно не ограничиваться рассмотрением идеализированных 
элементарных процессов, а указывать на процессы реальные, в которых 
участвуют несколько элементарных, поскольку в физике определение 
элементарных процессов и их взаимодействия часто само 
является ключевой задачей;

 
 надо указывать на применения в науке или технике: физика везде, 
а не только в школе на уроке;

 
 уточнение школьных моделей может производиться в трех направлениях: 
просто уточнении, указании на диапазон значений величин 
и соответствующую точность, анализе противоречий.
Примеры уточнения – допустим, неидеальность идеального газа, нелинейность 
зависимости линейных размеров и сопротивления от температуры, 
нарушение закона Гука. Причем желательно по возможности указывать 
причины отклонений.

Предисловие  5

Диапазон изменения входящих в закон величин и соответствующая 
точность важны, ибо любой физический закон основывается на эксперименте, 
на других законах, на компьютерных и аналитических вычислениях, 
но эти основания имеют ограниченную точность. Уильям 
Томсон (лорд Кельвин) говорил, что еще много открытий таится вокруг 
шестого десятичного знака. Сегодня, более века спустя, слово «шестого» 
выглядит во многих случаях архаично, но смысл высказывания остался 
прежним.
Уточнения, вытекающие из противоречий, важны потому, что некоторые 
общепринятые модели противоречат друг другу. Понятие точечного 
заряда, а рядом – формула для потенциала с «r» в знаменателе. Определение 
идеального газа противоречит связи температуры и распределения 
молекул по энергиям. Сила тяжести приложена в точке в центре 
тяжести – это противоречит тому, что мы стоим на полу и сидим на стуле. 
То, что школьники никогда не удивляются, почему этот центр не вываливается 
у них между ног и не летит радостно к центру Земли, означает, что 
они воспринимают физику не как поле для мышления, а как нечто для 
заучивания. Физика выученная, но не используемая – это набор великолепного 
инструмента, забытый в дальнем углу сарая под кучей мусора, 
это мощный программный пакет, который занимает место, но никогда 
не используется.
Вот еще несколько примеров. Существует ли постоянный ток и как это 
согласуется с дискретностью заряда и историей человечества? Граница ли 
«красная граница фотоэффекта» и как это согласуется с наличием у электронов 
в металле энергии? Следует ли из закона сохранения заряда первое 
правило Кирхгофа и, вообще, верно ли оно само? Могут ли скачком меняться 
координата, скорость и ускорение? Действительно ли постоянный 
ток не течет через конденсатор и, вообще, что значит «течет через»? Одно 
и то же или нет – центр тяжести, центр масс и центр инерции? К какой точке 
приложены вес, реакция опоры, сила трения? Всегда ли газ заполняет 
весь предоставленный ему объем и существовала бы жизнь на Земле, если 
это было бы так? Равно ли нулю время соударения?
Что касается связи курса физики и устройства мира, то жили бы мы под 
водой, гидродинамика составляла бы основное содержание тома «Механика», 
первый закон «великого кальмара» Ньютона считался бы философской 
абстракцией, а как выглядело бы электричество – подумайте сами. 
Кстати, полезно прочитать книжку Бориса Штерна «Ледяная скорлупа». Она 
в том числе и об этом. 
Разумеется, эти идеальные правила соблюсти автору удалось лишь 
отчасти. Это первая попытка реализовать новый формат. Заметим, что 
он пригоден для учебника по любой естественно-научной дисциплине.

6   Предисловие

МетОдические заМечания

В тексте есть вопросы, они выделены жирным шрифтом. Вопросы 
внутри лекций пронумерованы в квадратных скобках, например [1.2] – 
первая лекция, второй вопрос. После вопросов вы увидите, где ответы, 
где комментарии, а где новые вопросы… На них стоит пытаться отвечать, 
иначе Природа может потом не захотеть отвечать на ваши вопросы и будет 
вам обидно. Читать надо, положив рядом то, на чем легко оставить 
след, и взяв в руку то, что оставляет оный след при движении с нажатием 
в определенном диапазоне сил. Это потребуется для решения задач, да 
и некоторые вещи полезно, читая, изображать. То есть рисовать картинки, 
писать и решать уравнения.
Иногда некоторые школьники ощущают странный зуд – им хочется задать 
вопрос. Однако задать вопрос на языке физики они не всегда могут 
и, как Герасим и Муму, вынуждены ограничиваться общими формулировками: 
Зачем? и Почему? На первый вопрос ответ прост: физика нужна для 
всего. Ибо все, что окружает нас, создано техникой, а техника базируется 
на физике; самолет и корабль, смартфон и плеер, суперкомпьютер и GPS-
навигатор, MRT-сканер и хирургический робот – все это создали инженеры, 
опираясь на то, что поняли физики. Кроме того, физика нужна для получения 
удовольствия теми, кто ее делает; делать физику – источник одного из 
трех самых сильных кайфов этой жизни. Я тщательно проверял и убедился – 
это истинно так. 
Со вторым вопросом – Почему? – ситуация сложнее. Физика – это система 
моделей, теорий и экспериментов. Модели связаны, и связи сложны. 
По параметрам протона, нейтрона и электрона можно определить 
параметры атома, но только простейшего. По параметрам атома можно 
определить параметры газа, но не все, а твердого тела – так и вообще немногие. 
Если спросить, почему останавливается скользящее по поверхности 
тело, ответом будет школьная или послешкольная (Амонтона–Кулона) 
модель трения. Если опять спросить «почему?», придется рассказать про 
модель сваривание–срез–пропахивание. Потом мы углубимся в механику 
непрерывных сред и, если, окончив серьезный институт, будем рыть долго 
и тщательно, доберемся до межмолекулярных и межатомных сил, до так 
называемых первых принципов – законов сохранения и термодинамики, 
которые тоже являются обобщением опыта.
Поэтому ответ на вопрос «почему?» в физике примерно таков: сначала 
цепочка известных моделей, потом пропасть, а на том ее краю, видимом 
в тумане, вроде бы светятся буквы: «Because this is how the Universe 
is structured». И мост, уходящий вдаль и вроде бы (рис. П.2) до чего-то дотягивающийся… 

А иногда и совсем теряющийся в тумане: вот, например, такой (рис. П.3)...
Но ничего страшного! Внимательно, аккуратно, однако все равно – вперед.

Предисловие  7

А теперь – цитата!

Мы найдем путь или проложим его.

А кто это сказал, вы узнаете чуть позже. Он не имел в виду физику, но 
сказал хорошо.

Рис. П.2
Рис. П.3

Конкретное рассмотрение тех или иных разделов и вопросов зависит от 
того, что мне и моим ученикам показалось интересным, и от моего личного 
опыта работы в физике. Но есть вещи, которые упомянуть для расширения 
кругозора читателей хочется, а подробно рассмотреть их на школьном 
уровне и прямо так сразу не получится. Чтобы читатель, интересующийся 
физикой, знал, что именно искать в интернете и бумажных книгах, в этих 
случаях приводятся ключевые слова, которые надо использовать при поиске 
информации; они выделены курсивом. Если они даны в кавычках, то 
их и надо вводить в кавычках; почему – это вы, наверное, и сами знаете. 
Но если кавычек нет, вводите без. А если без – много мусора, то вводите 
с ними. Заодно и научитесь на лету диагностировать мусор. Вы собираетесь 
жить? А в жизни это ой как пригодится… 
Приведение ключевых слов целесообразнее приведения ссылок на 
ресурсы, потому что ссылки устаревают намного быстрее. Хотя иногда 
даны и они. И учтите, что в русскоязычной «Википедии» в половине статей 
по физике и технике есть некорректности и ошибки. И, как говорится, 
не жалуйтесь потом, что вас не предупреждали.

8   Предисловие

 И еще: эти лекции были написаны в разные годы, иногда потому, что 
ученики назадавали вопросов (осенью, зимой и весной), иногда потому, 
что совпало настроение и наличие времени (летом). И лишь потом они 
были собраны в данную книгу. Поэтому кое-где есть повторы, и даже 
рисунки иногда дублируются. Так что, если вам что-то кажется знакомым – 
не надо себя щипать, вам это не снится; может быть, вы это вчера 
как раз и читали. 

Предисловие  9

Лекция первая

Конденсатор

зачеМ Он нужен

Начнем мы внезапно – с середины электростатики. А именно с вещи, которая 
наверняка есть у вас в кармане. Более того, у вас в кармане, скорее 
всего, имеется несколько сотен конденсаторов. 

Рис. 1.1

Посмотрите на рис. 1.1: везде, где стоит буковка «C», – там конденсатор 
(насчет буквы «R» – в следующей лекции). Что делают все эти «C» и почему 
об этом в учебниках ни слова? Почему «ни слова» – не знаю, а делают они 
вот что: накапливают энергию, фильтруют сигнал, интегрируют и дифференцируют, 
сдвигают фазу. Причем часть этих функций видна из школьного 
учебника. А если присмотреться – то и все.
Энергия, накопленная в конденсаторе, используется, например, в фотоаппаратах, 
смартфонах и в некоторых моделях сотовых телефонов. В фотоаппаратах 
и смартфонах она преобразуется в энергию вспышки света, 
а в телефоне иногда потребляется передатчиком. Но и там и там энергия, 

вообще-то, хранится в аккумуляторе, зачем же перекачивать ее из аккумулятора 
в конденсатор? Ответ: внутреннее сопротивление аккумулятора 
ограничивает максимальный ток, а фотоаппарату для работы вспышки 
и телефону при поиске соты нужен ток побольше. У конденсатора в смысле 
большого токоотбора тоже есть два ограничения (подумайте, какие [1.1]), 
в данном случае они менее существенны, но позже мы к ним вернемся. 
Кстати, какими двумя другими способами можно записать формулу 
для энергии E = CU2/2 [1.2]? И еще вопрос про эту формулу: при каком 
условии на заряды она верна [1.3]? 

[1.1] 

1.  У конденсатора есть выводы, а у них – сопротивление и индуктивность. 
Сопротивление ограничивает ток согласно закону Ома, а индуктивность 
образует вместе с емкостью колебательный контур. 
По формуле Томпсона можно определить период колебаний, и если 
считать, что весь заряд протечет за первую половину периода, то 
опять же можно определить ограничение на ток. Реально работают 
оба ограничения, но для грубой оценки можно считать, что ток ограничен 
меньшим из этих двух значений. Но это не все – чем еще может 
быть ограничен ток?

2.  Сопротивлением и индуктивностью самих обкладок. Причем в некоторых 
условиях это ограничение существеннее. В каких?

3.  Например, если выводы короткие и толстые, а обкладки длинные 
и тонкие. Почему? 

[1.2]

1.  Замените в формуле CU2/2 емкость C или напряжение U, использовав 
определение C = Q/U, и получите эти две формулы.

2.  Ну вот же они: E = QU/2 и E = Q2/2C.

[1.3] 

1.  Эта формула верна, если конденсатор заряжен правильно, т. е. заряды 
обкладок равны по модулю и противоположны по знаку. Верна ли 
формула C = Q/U, если заряды пластин не равны по модулю?

2.  Она вообще неприменима – в аналогичной формуле должны принимать 
участие оба заряда. А какая формула, относящаяся к конденсатору, 
верна независимо от того, как заряжены пластины?

3.  Формула для емкости через геометрические параметры, например 
площадь обкладок и зазор. 

Что касается фильтрации сигнала, то, если прикладывать к конденсатору 
обычное переменное (синусоидальное) напряжение одинаковой амплитуды, 
но разных частот, то протекающий по проводам ток будет уменьшаться 
пропорционально частоте. На нулевой частоте, т. е. при постоянном на-

Конденсатор  11